高能量密度决定氢能汽车替代燃油车

近期，新款丰田燃料电池重卡在洛杉矶揭幕，奥迪加快推进燃料电池汽车的研发进度。在以特斯拉为代表的纯电动汽车日渐成为新能源汽车市场主流的当下，两大车企抢先布局氢燃料电池汽车的原因离不开氢燃料电池的高能量密度和高续航里程。

锂电池能量密度之困

目前纯电动汽车一般采用磷酸铁锂电池(常用于客车)或三元锂电池(常用于乘用车)。国内目前主流磷酸铁锂电池能量密度150Wh/Kg左右，三元锂电池则达到200Wh/Kg，而特斯拉Model 3使用的2170锂电池能量密度可达300Wh/Kg，但也仅仅为汽油能量密度的1/40。目前国内纯电动汽车续航里程一般在200-400公里之间，领先者如比亚迪能够达到600公里(如比亚迪唐EV600)，作为电动汽车领头羊的特斯拉续航里程则接近600公里，在极限测试中，测试人员曾驾驶特斯拉model3行驶了超过1000公里。

数据是很理想，现实却很残酷!让我们先看一下什么是现代版马拉火车。在去年，蔚来出动燃油板车运送充电车服务的新闻刷爆网络，蔚来为保证用户体验，蔚来员工星夜兼程用烧燃油板车拉着“充电宝”跟随用户给蔚来汽车充电。

图1 移动板车运送充电车服务

上述测试的400、500、1000的续航里程数在实际应用中大打折扣，尤其在低温或空调开启的情况，实际续航里程将更加不忍直视。例如，蔚来汽车的ES8前期爆出在120公里时速下，续航里程仅为178公里，令人大跌眼镜。而且燃油汽车在消耗燃油同时整车重量也会下降，但电动汽车在消耗电量的同时，整车重量却没有变化，这让电动汽车在续航里程上十分吃亏。

如何进一步增加电动汽车的续航里程?一般有三种思路：(1)在现有锂电池能量密度的条件下增加电池组中电池单体的数量;(2)增加锂电池的能量密度;(3)使用新一代的动力电池。

思路(1)会增加汽车重量，降低汽车经济性，并需要增加电池包的体积，侵占汽车其他系统的空间，同时增加了BMS的设计难度;若BMS的热量管理水好可能引发锂电池爆炸!思路(2)需要改进电池技术，但在同时满足安全、性能及成本约束下，进一步提升锂电池的能量密度是很有难度的，有专业人士认为目前使用的锂电池能量密度已经接近极限，而且过度追求高能量密度将难以保证安全性;思路(3)不能救急，实验室中的固态电池可能要到3年之后才能正式商业化，降低成本、提高良率更加久远。

表1 磷酸铁锂电池/三元锂电池能量密度、对应汽车

换句话说，特斯拉的产品已经接近了纯电动汽车的续航里程天花板，再现有技术基础上进一步提升续航里程已经十分困难。另外，市面上绝大部分电动车是基于燃油车平台设计改造而来，增加锂电池数量来增加续航里程方法弊端是可能需要牺牲电动车其他的性能，如乘坐空间，甚至是安全性，有可能容易引发电动车着火。

得天独厚的氢能源

相比于锂电池，氢燃料电池汽车的续航里程不取决于动力系统的能量密度，而取决于所能携带的氢气量，就像传统燃油企业一样。而且氢气的能量密度之高，远远超过锂电池，仅需要数公斤的燃料，就能使汽车的续航超过电动汽车，以丰田Mirai为例，使用超高压碳纤维增强尼龙储氢瓶可以储存6千克的氢气，电池系统能量密度超过350Wh/Kg，续航里程达到65公里。更何况加注氢气所需时间与加注汽油接近，使用更为方便。

表2 各类燃料的能量密度对比

目前氢燃料电池汽车一般利用高压氢气罐存储氢气，能够携带较多的氢气量。在70MPa高压储氢条件下，氢燃料电池系统能量密度大幅超过锂电池，主流氢燃料电池汽车的续航里程已经达到传统石油燃料汽车的水平，加氢站的密度与加油站相近或者在加油站基础上进行改建就可以满足需求。对比充电桩建设的庞大系统性改造工程，这可能是燃料电池另一个优点。

对于氢燃料电池汽车续航里程的提升，一方面可以通过增加储气罐数量或增大储气罐体积，但是这会造成电池系统体积变大，减小车身的乘用空间;另一方面可以采用更高效的储氢手段：一是增加储氢瓶的压强，二是使用新型储氢材料提升单位体积的储氢量。目前已经出现了高达90MPa的高压储氢罐，能够进一步提升燃料电池汽车的续航里程，同时省出更多的空间。而新型的储氢材料，则能更进一步的提高汽车所能携带的氢气量。

表3 几款氢燃料电池汽车性能对比

表4 不同储氢方式的储氢量对比

总之，由于氢燃料电池远超锂电池的高能量密度，在现有技术条件下可解决消费者对于电动汽车的“里程焦虑症”，且更加符合消费者的使用习惯。虽然目前氢燃料电池汽车需要时间完善基础设施建设，也需要通过产业化降低成本，但考虑到储氢技术进步有望进一步提升氢燃料电池的能量密度，降低氢气的储运成本，氢能源汽车在新能源汽车市场的竞争力将进一步增强，这样看，留给纯电动汽车提高电池能量密度的时间不多了。