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锂电池燃料电池甲醇制氢:新能源汽车“不认输”

十二月以来,北京最低气温基本徘徊在0度以下。于是我们听到新能源汽车车主和出租车司机的抱怨又逐渐多了起来。续航,低温,充电时间,一年一度的“新能源吐槽大会”似乎并没有随着技术的逐年进步而退散。

但是,针对这些新能源汽车的“原罪”,国内外车企也从来都没放弃过。除了在锂电池基础上方案频出——如提高能量密度,加大电池包,优化热管理,热泵空调,增程器以及汽油/柴油供暖系统等——新的技术路线也不断被发掘和改进。

继氢燃料电池汽车因自身优势热度再起之后,国内以吉利和爱驰为代表的甲醇燃料、甲醇重整制氢技术也在最近进入人们的视线。

而随着各种技术路线的综合运用,“不服输”的新能源汽车正在伴随着人们的诟病悄然突破自我。

锂电池的攻防战

过去几年里,新能源市场开疆拓土的主力军是锂电池纯电汽车,凭借环保经济动力政策等方面的优势,纯电汽车的销量一路上扬,而在特斯拉和国内造车新势力之后,传统汽车厂商也纷纷携自家的产品甚至子品牌加入这一战场。

然而和其优势一样,锂电池的明显劣势也在技术的探索式发展和市场的积累中逐渐为广大用户所知。再加上这股热潮之中也混杂了不少利用政策漏洞骗补的企业,其粗劣的产品也使锂电池在续航短、充电时间长、不耐低温、高速表现差等通病进一步放大。

为了弥补这些短板,厂商的手段不可谓不多:提高电池能量密度的同时增大电池包,续航600km+的产品不断问世;速度越来越快、数量越来越多的超级充电桩持续铺设,20-30分钟即可支持数百公里续航;进一步优化电池的热管理系统,增加液冷装置使电池可以在恒温环境下工作;还是有里程焦虑?试试换电和增程器。

然而无论怎么“折腾”,锂电池技术上的天花板决定了这几朵乌云始终会盘旋在新能源的头顶。因此,氢燃料电池——这一并不算新的新技术(很早就开始运用在商用车辆上)开始从锂电池的劣势上发力。

作为补充的氢燃料电池

氢燃料电池汽车(Hydrogen Fuel cell vehicle-FCEV)的灵魂部分在于燃料电池,它相当于一个小型发电机,车辆携带的氢与空气中的氧在其中依靠化学反应产生电力推动电机。基本原理是电解水的逆反应,把氢和氧分别供给阳极和阴极,氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后,放出电子通过外部的负载到达阴极。虽然中文称为“燃料电池”,但并不是氢气和氧气混在一起燃烧。

储氢罐储存氢气,燃料电池发电,电机驱动轮子。这便是氢燃料电池汽车的基本模式。

一般来说,氢燃料电池汽车加满氢气所需时间为3-5分钟,续航也可轻松达到燃油车的水平,氢与氧反映的排放物只有水,非常环保。此外,在高原和低温环境下也基本不受影响。

近年来市场上也不断有更加成熟的产品出现。韩国现代的氢燃料电池汽车NEXO,加一次氢气可实现700-800km的续航;今年东京国际车展亮相的第二代丰田Mirai,除了外形更加炫酷,各项参数也有了很大的提升。而11月底,博世(中国)还在江苏无锡设立氢燃料电池中心,主要用于研发、试制氢燃料电池动力总成相关产品。

看上去简直像是锂电池的救星,然而事情并没有那么美好。制氢成本高,运输、储存难度大,配套基础设施极度不完善,加氢流程过于复杂,而氢燃料电池的特性也决定了它更适合重型车长途运输的使用场景,家用短途出行优势并不明显。因此短期内想用它取代锂电池是不可能的。

甲醇,另一种选择

各种技术路线之间优劣互补环环相扣,似乎是一种偶然中的必然。甲醇制氢又来“解救”氢燃料电池了。

甲醇重整制氢方案在原理上与氢燃料电池无异,只是在其基础上加入一套甲醇制氢系统,这样一来车辆便不需要加注氢气而是加注甲醇,再用甲醇直接在车上产生氢气提供给燃料电池,从而省去了氢气的集中制取和运输环节。

这种改进既保留了氢燃料电池汽车的优点,也弥补了它们的缺点。

首先是续航和补能时间上的优势得以保留。数据显示,与传统燃油车油箱同等容积甲醇箱(如60L)基本能够实现燃油车同等续航里程,而甲醇燃料的加注过程也只有几分钟。

其次在来源和环保方面更具优势。甲醇属于单碳燃料,形成的污染物中氮氧化物较少,且一般不会聚合成颗粒物。而甲醇的原料来源也更加多样化,劣质煤炭、焦炉气、天然气、生物质能等皆可,不依赖于石油,且由于多年来的工业化运用,生产技术成熟。

第三,甲醇在-97.8℃和64.5℃之间都是液态,易燃不易爆且溶于水,存储运输比汽油和氢气都要安全。

第四,由于甲醇和汽油性质类似,因此理论上只需对加油站稍加改造即可用来加注甲醇,无需单独建站,比动辄千万成本的加氢站更容易普及。

和其他新能源的发展一样,这也是一条既要依靠技术发展又要依靠政策扶持的路线。首先在技术上,甲醇重整制氢虽然逻辑上非常完整,但实现起来需要客服诸多难点,对车辆本结构及成本控制是一个考验,而甲醇产生氢气再产生电能再驱动车辆经过了数次能量转化,如何保证能效也很重要。

此外,我国地理条件复杂,能源分布不均,如若普及开来,能源的运输、以及基础设施建设也会是一笔不小的投入,需要政策的协调支持。

目前普遍的观点认为,还没有哪种新能源的路线能够“一统天下”,依据不同场景、不同需求进行多方配合将是未来的方向。无论怎样,能源的革命已然到来并将继续发展,它为我们带来更加多样、便捷、舒适的出行生活同时,也将助力整体环境的改善。

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责任编辑:michellewu
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