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氫燃料電池與三元鋰電池誰更安全?

來源:第一電動網 瀏覽次數:48 發布日期:2019-06-25

今年可以說是電動汽車安全元年,過去無論是廠商還是購買電動車的用戶,從來只關心性能和續航里程,沒人關心過電池安全,直到特斯拉曝出自燃事件后大家才開始越發關注電動車的安全問題。這也讓很多過去不為人知、廠商避而不談的、三元鋰電池的性能缺陷逐漸浮出水面,讓人們逐漸意識到磷酸鐵鋰的好處。

如果拿三元鋰跟磷酸鐵鋰對比相信很多人很快就能知道磷酸鐵鋰正安全性方面的性能是要優于三元鋰電池的,但是如果拿三元鋰與氫燃料電池對比,誰更安全呢?過去人們總是談氫色變,覺得氫是一種比汽油還要危險得多的能量儲備方式。事實果真如此嗎?氫燃料電池的工作原理是怎樣的?它的安全性是怎么設計的?與三元鋰相比誰更安全?本期來為大家解讀

氫燃料電池動力系統的核心技術:儲氫罐+燃料電池反應堆

正如電動車當中的電池包一樣,儲氫罐是用來存儲氫氣的設備,燃料電池反應堆是用來把氫氣和氧氣轉化成電能和水的設備。這兩者加在一起,就構成了相當于電動汽車的電池包,能夠持續為電機和整車電器設備提供電力。

氫燃料電池的好處顯而易見,電力轉換效率極高,而且過程中十分安靜,也不會需要大量散熱。這就是為什么豐田Mirai僅僅攜帶 5kg 氫氣就能續航700公里+的原因。極大的能量密度和極高的能量轉換效率,是氫燃料電池最大的特點。燃料電池反應堆的核心技術是質子交換膜以及催化劑,這些技術目前主要被歐美大公司所壟斷,在中國并沒有形成太大規模的產業化。所以反應堆被列為核心技術就很容易理解了,那么儲氣罐為什么也是核心技術呢?

氫燃料電池與三元鋰電池誰更安全?

▲采用碳纖維+復合材料制造的氫氣儲氣罐

密封和耐久性能的好壞,決定了儲氣罐的性能

就如同一個大國的裝備制造水平一樣,在工業和民用領域,密封材料的性能也是衡量一個大國制造業水平的重要依據。歐美很多國家對于高性能密封材料的配方和制造工藝是絕對保密的。這就是為什么在傳統汽車領域,那些頂級性能的剎車系統和汽油柴油直噴發動機的燃油共軌系統都來自于歐美供應商,因為它們的核心技術就是密封技術。

氫燃料電池與三元鋰電池誰更安全?

▲氫燃料電池儲氣罐的結構

對于氫燃料電池車也是這樣,要想提高續航里程就需要多謝帶氫氣,而能夠儲存氫氣的壓力容器對于壓力的承受力,就是能夠攜帶氫氣多少的關鍵。正因為氫氣的密度很小,所以必須經過壓縮甚至是低溫液化后,儲存在壓力容器當中才能獲得足夠的能量密度,容器可承受的壓力越大,單位體積內攜帶的氫氣就越多。而容器可承受壓力越大,也意味著對密封性能和抗壓性能的要求越高。豐田Mirai在氫氣儲存方面的性能是世界領先的,并且車型已經量產,即便這樣,攜帶5kg的氫氣仍然需要兩個很大的儲氣罐,因此占據了車內后部的很多空間,使得整車在造型上有別于傳統電動車,車尾高度相對較高。

氫燃料電池與三元鋰電池誰更安全?

▲如此巨大的儲氫罐占用了大量空間,并且僅能儲存5kg氫氣

儲氫罐對于安全性的設計有哪些?與三元鋰電池相比誰更安全?

在整個燃料電池車運作的過程中,燃料電池反應堆是一個化學反應的場所。它只需要源源不斷的供給少量氫氣就可以持續工作,如果發生氫氣泄漏或者安全事故,可以迅速切斷供應氫氣的路徑來防止氫氣的燃燒。大家都能想到,最有可能影響燃料電池車安全性的是儲氣罐。

所以在設計儲氣罐時必須充分考慮安全碰撞問題:一方面儲氣罐的殼體材料需要夠輕,另一方面需要有足夠的強度用于耐受撞擊。因此,儲氫罐一般都是以成本高昂的碳纖維及其它復合材料組合而成。但是,我們知道,不管用多么堅固的材料制造儲氣罐殼體,也只是在一定的速度條件下,能保障碰撞的安全性。然而實際道路行駛時的速度,肯定要遠高于實驗室做安全碰撞的速度,那么一旦儲氫罐破裂,造成氫氣泄漏與空氣混合在一起是不是就會馬上發生爆炸呢?

事實上,在儲氫的設計中都考慮到了這一點。正因為儲氫罐內部的氫氣壓力很大,所以在儲氣罐上設計有緊急泄壓閥,一旦發生氫氣泄漏或著火,緊急泄壓閥會自動打開并迅速釋放儲氣罐內的氫氣。我們知道氫氣的密度比空氣小得多,并且必須與氧氣結合才能產生燃燒或者爆炸,被高壓釋放的氫氣在靠近儲氣罐的部分由于壓力高流速極快,沒有什么機會與氧氣接觸,而遠離儲氣罐的氫氣由于其密度小的特點,又會迅速的在空氣中上升。即便這個時候空氣當中有明火能夠滿足引燃條件,那么也僅僅只是在空氣上空形成一個火球,并不會對人員造成傷亡。這種高速釋放氫氣的技術也同樣被應用在加氫站的大型儲氣罐之中。

氫燃料電池與三元鋰電池誰更安全?

▲氫燃料電池汽車的核心科技

與三元鋰電池相比,氫氣儲存過程當中的安全性應該是更高的,因為可以通過隔絕氧氣,或者迅速釋放的方式,讓危險的氫氣迅速逃離人群,某種意義上來講甚至比液態的汽油更安全。而三元鋰電池會隨著時間的推移電池的老化,有可能在內部發生短路的現象,或者因外力的撞擊導致內部的短路自燃。最可怕的是,無論是由內而外引發的自燃還是由外而內導致的燃燒,過程中都會釋放大量氧氣,這就意味著即便與空氣隔絕,電池也會越燒越旺。

氫能源與三元鋰電池的發展前景

在中國,三元鋰電池最大的優勢,就是在近幾年國家政策的傾斜鼓勵下產能得到了極大的發展,可以說中國公司是掌握其核心技術的,并且一躍成為了全球最大的鋰電池生產國,成本得到了極大的降低,已經完全形成了規模產業。而氫燃料電池技術,無論是反應堆催化劑的工藝配方,還是儲氣罐的核心技術,中國都沒有形成規模產業,所以成本極高。但是中國卻又非常具備發展氫能源的產業條件,每年國內石化行業產生的氫氣副產品足夠用于車輛使用,氫氣獲得成本比較低,而且不需要依賴電解水這種高耗能的方式獲得氫氣,這為大規模發展燃料電池汽車奠定了良好的基礎。

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