水素燃料電池とリチウム電池の比較分析

リチウム電池

「リチウム電池」は、負極材料としてリチウム金属またはリチウム合金を使用し、非水性電解質溶液を使用する電池の一種である。リチウム金属電池は、1912年にギルバートN.ルイスによって最初に提案され、研究されました。1970年代に、MSWhitTInghamはリチウムイオン電池を提案し、研究を開始しました。リチウム金属の非常に活発な化学的性質のために、リチウム金属の処理、保管、および使用は、環境に対して非常に厳しいものです。そのため、リチウム電池は長い間使用されていません。科学技術の発展に伴い、リチウム電池が主流になりました。

リチウム電池は、リチウム金属電池とリチウムイオン電池の2つのカテゴリに大別できます。リチウムイオン電池は金属リチウムを含まず、充電可能です。二次電池の第5世代リチウム金属電池は1996年に誕生し、その安全性、比容量、自己放電率、性能価格比はリチウムイオン電池よりも優れています。独自の高い技術的要件のため、国内でこのようなリチウム金属電池を製造している企業はごくわずかです。

水素燃料電池とリチウム電池の分析

水素燃料電池

水素燃料電池は、水素を化学元素としてエネルギーを蓄える電池です。基本的な原理は、電解水の逆反応であり、アノードとカソードにそれぞれ水素と酸素を供給します。水素がアノードを通って外側に拡散し、電解質と反応した後、電子は外部負荷を介してカソードに放出されます。

水素燃料電池の特徴無公害の燃料電池は環境にやさしいです。これは、燃焼（蒸気、ディーゼル）やエネルギー貯蔵（バッテリー）ではなく、電気化学反応によるものです。これは、最も一般的な従来のバックアップ電源ソリューションです。燃焼により、COx、NOx、SOxガス、粉塵などの汚染物質が放出されます。上記のように、燃料電池は水と熱しか生成しません。水素が再生可能エネルギー源（太陽光発電パネル、風力発電など）によって生成される場合、サイクル全体が有害な排出物を生成しない完全なプロセスです。

ノイズのない燃料電池は静かで、ノイズはわずか約55dBで、通常の会話のレベルに相当します。これにより、燃料電池は屋内設置や屋外での騒音が制限される場所に適しています。

高効率燃料電池の効率は50％以上に達する可能性があり、これは燃料電池の変換特性によって決まります。熱エネルギーと機械エネルギー（発電機）を中間変換することなく、化学エネルギーを電気エネルギーに直接変換します。

水素燃料電池とリチウム電池の分析

水素燃料電池とリチウム電池の比較分析

世界のエネルギー地形は大きな変化の前夜に近づいています

人類の歴史を通して、文明の進歩は本質的にエネルギー出力強度の進歩です。初期の農業文明では、権力は主に人間と家畜、木材、その他のバイオエネルギーに基づいていました。出力電力は非常に限られていました。また、土地の収容力によっても制限されていました。 18世紀の産業革命後、蒸気機関と内燃機関を備えた経済は、低水準でしか循環できませんでした。促進すると、基本エネルギーは石炭や石油に代表される化石エネルギーになり、エネルギー密度は数百倍に増加し、GDPはついに「マルサストラップ」の束縛を打ち破り、指数関数的成長を示しました。現在、世界のエネルギー構造は、原油33％、天然ガス24％、石炭30％、原子力4％、水力7％、新エネルギー2％です。化石エネルギーは絶対的に支配的な立場にあります。しかし、将来を見据えて、人間のエネルギー構造は別の大きな変化の前夜に達していると判断し、石油は30年以内に完全に交換されると予想されています。燃料電池に代表される水素エネルギーが新たなエネルギー源になります！

石油時代は完全に置き換えられます

後期の農業文明の発展が直面している最大の問題は、限られた土地資源が最終的にさらなる人口増加を支えることができないということです。再生不可能な資源として、化石エネルギーも資源不足の制約に直面しています。過去20年間の消費の伸びの線形外挿によると、世界的に証明された石油埋蔵量は30年しかサポートできません。技術の進歩が何十年にもわたって石油の寿命を延ばすことができたとしても、それは人間と比較して、依然として有用な光の日です。少なくとも千年続いた歴史はまだ意味がありません。さらに、現在の探鉱レベルがすでに十分であることを考慮すると、低コストの大油田を発見する可能性は非常に低く、潜在的な供給の採掘コストはますます高くなるでしょう。これは最終的に代替エネルギー源の商業化の急速な加速を刺激するでしょう。たとえば、リチウム電池車の開発が本格化しているため、経済的な石油枯渇が早まる可能性があります。将来的には、誰が完全に石油に取って代わり、新世代の自動車燃料になることができるかが非常に重要な問題になります。

勝つ燃料電池vsリチウム電池

現在、石油車両を置き換えるための主流の技術ルートは、リチウム電池と燃料電池です。燃料電池の最大の利点は、リチウム電池の120倍の高エネルギー密度です。しかし、リチウム電池は早期に始動し、商品化の度合いが高く、車両全体のコストが低く、充電は既存の電力網システムを利用することができます。燃料電池の水素化と水素供給全体のサポートネットワークと比較して、建設はゼロから開始する必要があり、コストを低くする必要があります。したがって、両者間の競争の中核は、エネルギー密度とコストの競争です。コスト削減は商品化で解決できる工学的問題ですが、エネルギー密度は基礎科学分野のボトルネックに直面しており、基本的に解決策はありません。したがって、この2つの違いは、本質的に「daoとテクノロジー」の違いです。長期的には、燃料電池は間違いなく大きな可能性を秘め、自動車の次世代の基礎エネルギーになることも期待されています。

エネルギー密度の増加がメインラインロジックです

人類の歴史において成功したすべてのエネルギー革命には、明確な論理の主要な線があります。これは、エネルギー密度の桁違いの増加です。石炭が薪の160倍の場合、石油は石炭の2倍になります。新エネルギーは、長期的な開発によって確立された完全な基本ネットワークと産業支援を破壊するだけであり、エネルギー密度の圧縮という利点があるだけで、その巨大な使用慣性を逆転させることができます。これは、IT分野の創設者Groveによって提案された10倍速の原則に似ています。つまり、破壊に成功する可能性のある新しいテクノロジーが登場すると、それは基本的に火花であり、止められません。たとえば、ガソリン車は電気自動車より20年遅れています。初期の技術も未成熟ですが、エネルギー密度が高いという利点により、電気自動車に取って代わりました。

水素燃料電池とリチウム電池の分析

ここ数十年、各国は電気自動車を積極的に推進していますが、その割合は依然として非常に低く、1％未満です。核心は、過去の電気自動車がエネルギー密度改善のメインラインロジックに違反しているということです。最新世代のリチウムイオン電池車でさえ、極端なエネルギー密度はガソリンのわずか1/40であり、業界は当然10倍速く改善することはできません。しかし、燃料電池の出現は現状を完全に変えました。水素を原料とし、基本エネルギー密度はガソリンの3倍、モーターの仕事効率は内燃機関の2倍、実際の密度はガソリンの6倍です。さらに、前世紀の人間のエネルギー進化の歴史から、それは本質的に炭化水素比の調整の歴史です。水素含有量が高いほど、エネルギー密度が高くなります。炭素エネルギーから水素エネルギーへの将来のシフトは、時代のトレンドです。したがって、水素エネルギーを使用する燃料電池は間違いなく歴史的発展の方向性をよりよく表しており、次世代の基本的なエネルギー源になる可能性が最も高いです。

自動車の性能は、主に耐久性、充電/充電時間、出力電力、および安全性です。燃料電池のエネルギー密度は、リチウム電池のエネルギー密度よりもはるかに高くなっています。対応するバッテリー容量、急速充電容量、および航続距離は、リチウム電池のトップグレードの高級車テスラと比較しても、当然の利点があります。ただし、その電力密度は高くなく、最大出力電力は補助電源バッテリーシステムに依存します。対応する最高速度と100キロメートルの加速指数とリチウム電池はそれほど違いはありません。比較のために、現在主流の2L排気ガスガソリン車を選択します。これは、45度のリチウム電池車と出力電力100KWの燃料電池車に対応します。

エネルギー密度の比較

電池の一種として、リチウム電池は閉鎖系です。バッテリーはエネルギーのキャリアにすぎません。実行するには、事前に課金する必要があります。エネルギー密度は、電極材料のエネルギー密度に依存します。現在、負極材料のエネルギー密度は正極材料のエネルギー密度よりもはるかに大きいため、エネルギー密度を上げるには、鉛酸からニッケル、リチウム電池などの正極材料を継続的にアップグレードする必要があります。しかし、リチウムはすでに原子量が最も小さい金属元素です。リチウムイオンの良い陰極材料は理論的には純粋なリチウム電極だけですが、エネルギー密度はガソリンの1/4に過ぎず、商業技術は非常に困難です。突破の望みはありません。したがって、リチウム電池のエネルギー密度の増加は理論上のボトルネックの影響を受けやすく、スペースは非常に限られています。せいぜい、現在の160Wh / KGから300Wh / KGに増加します。燃料電池の1/120にしか達しない場合でも、スタートラインで失われていると言えます。

体積エネルギー密度の比較

燃料電池の原料である水素の主な欠点は、体積エネルギー密度が高くないことです。現在、基本的に、この問題を解決するために加圧が使用されています。 700気圧の現在の加圧モードによると、体積エネルギー密度はガソリンの1/3です。同じく300km走行、燃料電池水素貯蔵タンク容量は100L、重量は30KG、ガソリン車の燃料タンクに対応は30Lですが、モーター容量は内燃機関より80L小さく、総容量に大きな違いはありません。 。リチウム電池車は、3成分とリン酸鉄リチウムの2つの主要な技術ルートに分けられます。代表的な企業はテスラとBYDです。三元エネルギー密度は高くなりますが、安全性は低くなります。補助安全保護具が必要です。 300キロ走行に必要な2つのバッテリーはそれぞれ140Lと220Lで、重量は0.4トンと0.6トンで、燃料電池よりもはるかに重いです。将来を見据えて水素吸蔵合金と低温液体水素貯蔵技術が壊れれば、燃料電池の体積エネルギー密度はそれぞれ1.5倍と2倍になり、その利点はより明白になります。

電力密度の比較

燃料電池は水素を原料とした化学発電システムと理解できるため、出力は比較的安定しています。放電電力を最大化するには、パワーバッテリーシステムを追加する必要があります。たとえば、トヨタミライはニッケル水素電池をサポートしています。ただし、オープン電源システムとして、そのエネルギーは外部入力から供給されます。追加のNi-MHバッテリーは、エネルギー貯蔵の問題を考慮する必要はありません。 5〜8度であれば需要に対応でき、使用制限の場合でもバッテリー寿命は長くありません。リチウム電池の理論的な放電効率は非常に高いですが、電池の寿命を損なうことのないように、使用には多くの制限があります。フル充電の場合、大量に放電することはできず、急速放電は0〜80％の間隔でのみ適用されます。それでも、5Cの放電率では、実験室でのバッテリーサイクル寿命はわずか600倍に短縮され、実際の条件下ではさらに400倍に短縮されます。たとえば、Telsaの最大電力が310KWであっても、実際の放電率はわずか4Cです。 。また、リチウム電池はエネルギー密度の低い密閉型エネルギー貯蔵システムとして使用されており、電池の重量を大幅に増やさないと、基本的に高出力放電と高航続距離の両立が困難です。テスラは現在の最高密度の三元電池を使用していますが、その電池部品の重量は約0.5トンです。

水素燃料電池とリチウム電池の分析

セキュリティの比較

上記の指標に加えて、自動車にとって安全性は間違いなく重要です。クローズドエネルギーシステムとして、リチウム電池は原理的に高いエネルギー密度と安全性と互換性があり、そうでなければ爆弾と同等です。そのため、主流の工程ルートでは、エネルギー密度の低いリン酸鉄リチウムの方が安全性が高く、電池温度が500〜600度になると分解が始まり、基本的に保護補助装置をあまり必要としません。テルサが使用する三元電池はエネルギー密度が高いですが、高温に耐えられません。 250〜350度で分解し、安全性が低くなります。解決策は、7000を超えるバッテリーを並列に接続することです。これにより、単一のバッテリー、さらには複雑なバッテリー保護デバイスの組み合わせからの漏れのリスクが大幅に軽減されます。また、前期にはテスラの安全設計により死傷者は出なかったものの、事故は数件発生しましたが、事故自体はごくわずかな衝突であり、車体にダメージはありませんでしたが、バッテリーは燃えている。また、安全性の面での自然な欠点も反映しています。

燃料電池は、原料の可燃性や爆発性から、一般的に安全性が懸念されています。ただし、下の表に示すように、水素の安全性は、ガソリンと天然ガスの2つの一般的な可燃性ガスよりも悪くはなく、わずかに優れています。現在、車両の水素貯蔵装置は炭素繊維材料でできており、80KM / hのマルチアングル衝突試験で無傷にすることができます。交通事故で漏れが発生しても、水素爆発の濃度が高いため、通常は爆発前に燃え始めますが、爆発しにくいです。また、水素ガスは軽量で、火災後はオーバーフロー系の水素が急激に上昇しますが、身体や乗客はある程度保護されています。ガソリンは液体で、リチウム電池は固体で、大気中で上昇しにくく、燃焼はキャビンの底で行われ、車両全体がすぐに後退します。水素の貯蔵と輸送のリンクはLNGと非常に似ていますが、必要な圧力はより大きくなります。商品化が進むにつれ、その全体的な安全性は依然として制御可能です。

バッテリー車のコストは、主に車両コスト、原材料コスト、サポートコストに分けられます。現在、燃料電池の最大の問題はコストが高すぎることですが、開発の観点からは、技術の進歩や商品化が進むにつれて、コスト削減の余地が大きくなります。リチウム電池がグリッド端での容量拡張のコストを考慮に入れる場合、全体的なサポートコストは依然として燃料電池のコストよりも高くなります。具体的な計算は次のとおりです。

車両コストの比較

リチウム電池、燃料電池、従来のガソリン車では、車両全体のコストの違いは主にエンジンのコストに反映され、他のコンポーネントはそれほど違いはありません。 2Lガソリンエンジンの価格は約3万元で、今後大きく変更することは難しい。リチウム電池の現在の電気料金は1200元/ kWhであり、将来的には1,000元/ kWh、45度の電気自動車、電池のコストは45,000元に低下すると予想されています。燃料電池のコストは、主にバッテリーパックと高圧水素貯蔵タンクです。現在、100kwのバッテリーは100,000元で構成されています。年間生産量が50万台を見込んだ後、単価は30米ドル/ KW、つまり2万元に削減される。既存の水素貯蔵タンクのコストは60,000元であり、将来的には35,000元に低下し、総コストは55,000元になると見込まれている。長期的には、3つの電力システムのコストに大きな違いはありません。車両全体のコストが中心的な問題ではないことがわかります。

原材料費の比較

2Lガソリン車の燃費は100kmあたり10リットル、ガソリン価格は5.8元/ L。費用は58元です。リチウム電池車は1キロメートルあたり17キロワットを消費し、コストは0.65元/ kWhです。費用は11元です。燃料電池は、100キロメートルあたり9平方メートルの水素を消費します。水素製造方法は、主に電気分解水と石炭からの水素製造と天然ガスからの水素製造などの化学反応に分けられます。電解水のコストは主に電気であり、平均5度の電気と1平方の水素が含まれます。費用は1平方あたり約3.8元ですが、水素燃料補給所で直接電気分解できるため、輸送費を節約できます。化石エネルギーの大規模な集中生産を使用する場合、国内で最も低いコストは石炭から水素であり、約1.4元/平方です。北米では、安価な天然ガスを0.9元/平方のコストで使用できます。石炭ガスを基準にすると、100キロの原材料費は12.6元で、リチウム電池と大差ありません。

マッチングコストの比較

水素燃料補給所、ガソリンスタンド、充電所の費用は、主に土地費、設備費、建設費に分けられます。その違いは主に設備費に反映されています。ガソリンスタンドは基本的に300万元、充電ステーションは430万元、水素燃料補給ステーションは現在の日本の基準に基づいています。

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