水素燃料電池とリチウムイオン電池の対比

水素燃料電池とリチウム電池の分析

各国はここ数十年で電気自動車を積極的に推進していますが、その割合はまだ非常に低く、1％未満です。核心は、電気自動車のエネルギー密度が論理のエネルギー変化の上昇に違反していることです。最新世代のリチウム電池車でさえ、そのエネルギー密度の極値はガソリンのわずか1/40です。業界は改善の10倍の速度で現れるのが遅いです。しかし、燃料電池の出現はそれをすべて変えました。水素を原料とし、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倍であり、明らかなメリットがあります。そして、過去100年間の人類の進化からのエネルギー、その本質は炭化水素比調整の歴史であり、水素含有量が高いほど、エネルギー密度が高くなります。将来的には、炭素エネルギーから水素エネルギーへの変化は避けられない傾向です。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表しており、次世代の基本エネルギーになる可能性が高いです。

車両性能には、主に耐久性、充電/水素充電時間、出力電力、安全性などが含まれます。燃料電池のエネルギー密度はリチウム電池よりもはるかに高く、バッテリー容量、急速充電容量、および範囲は、最高の贅沢でも自然な利点がありますリチウムイオン電池の車もテスラよりも大きなリードです。しかし、その電力密度は高くありません。最大出力電力は、補助電源バッテリーシステム、および対応する時速キロメートルの最高速度と最高速度のインデックスとリチウム電池によって異なります。比較のために、現在の主流であるガソリン車から2リットル以下を選択しました。これは、45度のリチウム電池と100kwの燃料電池車の出力に対応します。

エネルギー密度の比較

蓄電池の一種であるリチウムイオン電池はクローズドシステムであり、電池はエネルギーのキャリアであり、実行する前に充電するために、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。カソード材料のエネルギー密度が正よりも大きいため、エネルギー密度を改善するために、鉛酸、ニッケル、そしてリチウム電池などのアノード材料がエスカレートしています。しかし、リチウムは原子量の最小金属元素であり、理論的にはリチウムイオン電池のアノード材料よりも優れているの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わずか1/4であり、技術的な難しさの商業化は数十年と大きいです画期的なことではありません。したがって、リチウム電池のエネルギー密度上昇理論のボトルネックを条件として、スペースは非常に限られています。つまり、現在の160wh / KGから300wh / KGまで、燃料電池のわずか1/120でも、最初は失われます。ライン。

体積エネルギー密度の比較

燃料電池の生水素の主な欠点は、その体積とエネルギー密度が低いことです。現在の700気圧の与圧モデルによると、その体積エネルギー密度はガソリンの1/3です。燃料電池水素貯蔵タンクは、容量100L、重量30KGで、ガソリン車の燃料タンク30Lに相当します。ただし、モーターは内燃機関より80L小さく、全体の容積差は大きくありません。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、安全性が低く、補助的な安全保護装置が必要です。 300kmに必要な2種類のバッテリーは、体積が140Lと220L、重量が0.4tと0.6tで、どちらも燃料電池よりもはるかに高いです。今後、水素貯蔵合金と極低温液体水素貯蔵技術が飛躍的に進歩すれば、燃料電池の体積と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、バッテリー寿命も長くありません。使用上の制限はほとんどありません。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レートの放電では、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でさえ最大電力は310 kWですが、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。

セキュリティの比較

上記の指標に加えて、自動車の安全にとって間違いなく重要です。エネルギーの閉鎖系としてのリチウム電池は、原則として、高いエネルギー密度と安全性に対応することは困難です。そうでなければ、爆弾と同等です。したがって、主流のプロセスルートでは、エネルギー密度の低いリン酸鉄リチウムの方が安全であり、バッテリーの温度が500〜600度に達すると分解が始まり、基本的に保護補助装置をあまり必要としません。三元電池のエネルギー密度を使用するテスラは高いですが、高温耐性ではなく、250〜350度は分解し、安全性が低くなります。テルサが使用する三元電池のエネルギー密度は高いですが、高温には耐えられません。 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。テスラのセキュリティ設計の恩恵を受けて死傷者は出ていませんが、事故自体は実際にはごくわずかな衝突であり、身体にも損傷はありませんでしたが、バッテリーは燃えていますが、以前の事故は数回発生しました、また、不利な点の自然な側面にそのセキュリティを反映しています。

燃料電池は、可燃性で爆発性の水素を原料としているため、市場は一般的に安全性を懸念しています。しかし、次の表のデータ、ガソリン車の可燃性ガスよりも一般的な2つの蒸気とガスがあるので、水素の安全性は悪くなく、わずかに優れています。車両の水素貯蔵装置は現在、炭素繊維材料を使用しており、80 km / hの速度でマルチアングル衝突テストを無傷で行うことができます。高濃度の水素爆発の必要性により事故により漏えいが発生したとしても、一般的に爆発が燃え始める前に、爆発することは困難です。水素と軽量の水素のオーバーフローシステムは、車体と乗客を保護するために、ある程度ではなく、火災後に急速に上昇します。固体用液体リチウム電池用ガソリンは、大気中で上昇しにくく、タンク車の底で燃え、車両はすぐに燃え尽きます。水素貯蔵と輸送のリンクとLNGは実際には非常に似ており、必要な圧力だけが大きく、商品化されているため、全体的なセキュリティは管理可能です。

バッテリーカーのコストは、主に車両全体のコスト、原材料のコスト、およびコストに分けられます。現在最も窮地に立たされている燃料電池はコストが高すぎるが、眼の発達に伴い、技術の進歩と商品化の度合いが増すにつれて、コストを下げる大きなスペースとなる。そして、リチウム電池は、拡張とグリッド側のコストを考慮すると、実際には、包括的なコストは燃料電池のコストよりも高く、具体的な対策は次のとおりです。

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、主にエンジンコストで具体化された車両コストの違い、これらの他のコンポーネント。2リットルのガソリンエンジン車のコストは約30000元であり、将来はあまりにも大きな変化を持つことは困難です。既存のリチウムイオン電池のkWhコストは1200元/ kWhであり、将来は1000元/ kWh、45度の電気自動車、バッテリーコストは45000元に下がると予想されています。燃料電池のコストと高圧水素蓄電池、現在100KWのバッテリーパックのコストは100元で、年間生産量は500000と予測され、ユニットあたりのコストは$ 30 / KW、つまり20000元に下がります。既存の水素貯蔵コストは60000元であり、将来は35000元に低下すると予想され、総コストは55000元です。長期的な3つの電力システムのコスト差は大きくなく、目に見える車両コストは主要な問題ではありません。

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、17度で数百キロメートルの電力消費、0.65元/ KWHのコスト、11元のコストがかかります。燃料電池100キロは水素を9平方消費し、水素製造方法は主に水の電気分解または化学反応（石炭と水素の製造、天然ガスからの水素製造など）に分けられます。水の電気分解は主に電気であり、平均5 KWH 1水素、コストは約3.8元/平方ですが、直接電解水素ステーションにすることができ、輸送コストを節約できます。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へのコストであり、約1.4元/平方ですが、北米は0.9元/平方のコストで安価な天然ガスを使用できます。石炭ガスのコストを基準にすると、100キロメートルあたりの原材料のコストは12.6元であり、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

ガソリンスタンド、ガソリンスタンド、充電ステーションの費用は、主に土地費、設備費、建設費に分けられ、その差は主に設備費に反映されます。基本的なガソリンスタンドは300万元、充電ステーションは430万元、現在の日本の基準でのガソリンスタンドは1500万元と予想され、ガソリンスタンドの総コストは1000万元を超えています。 15年間の減価償却、年間販売量1,000万平方によると、減価償却費は0.1元/平方です。タンクローリーで一般的に輸送される小さな水素の場合、貨物は0.44元/平方であり、パイプライン輸送を利用できるように拡大すると予想され、コストは0.23元/平方に低下します。

現在、既製のグリッドシステム上のリチウム電池は、コストの完全なセットを形成していますが、非常に低いです。しかし、昇進した場合、既存のグリッド冗長性の容量は使い果たされ、基本は将来の大規模な拡張でなければなりません。充電ステーションが基本的にグリッドにあるようにコストの外部化を一致させるため、業界チェーン全体のコストを計算すると、電力グリッドのコストが追加されます。 10個の充電パイルからなる充電ステーションの電力に対応する急速充電基準を達成するための少なくとも1時間の充電ステーションの一般的な商業運転は、600キロワットに達します。これは、数百の電力負荷ファミリに相当し、電力への影響です。グリッドの負荷が大きくなります。対応するグリッドは、負荷を増やすために120万元の新規投資が必要ですが、電力購入コスト0.65元/度によると、年間販売量の増加は930000度にすぎません。グリッド側は、計算に15年の投資を戻し、価格はコストは0.18元/度増加しました。

販売側のコスト見積もり

ガソリンスタンドの販売ネットワークは非常に成熟しており、利益のレベルは、合理的な収益の測定ベンチマークである1時間のガソリンスタンドとして使用できます。両側に広がる対応するガソリンスタンドは、0.51元、キロワット時あたり4.9元のリチウムイオン電池です。電気の状況、基本的にリチウム電池車を宣伝することはできません。現在の州の規制では、充電ステーションのサービス料は0.4元/度に制限されていますが、その背景には多額の補助金があります。しかし、長期にわたって補助金に頼ることができる業界はありません。将来、リチウム電池の充電効率が重要でなかった場合、ガソリンスタンドでのこのリンク、企業の収益性はガソリンスタンドやガソリンスタンドよりも大幅に低くなります。大都市では見事な、合理的なリターンはありません。投資家には、充電ステーションを宣伝するインセンティブも、業界の自然な発展もありません。しかし、リチウム電池の低エネルギー密度は低すぎるため、高い充電効率を実現することを余儀なくされた場合、電池のサイクル寿命に対する工学的課題は非常に大きくなります。また、3分間の急速充電も実現できますが、1つの充電パイルに対応して各充電ステーションに1200キロワットの電力を供給し、110KV変電所の完全なセットを形成します。 5,000万元までの投資は、5000平方メートルの面積をカバーし、約300メートルは住宅を建てることができず、現在、運用レベルの沿岸都市にとって非常に大きな課題となっています。

総費用

上記のすべてのコスト、ガソリン車、リチウム電池を現段階で統合し、58、83、23の100キロメートルのコストで燃料電池車を完全に商品化し、20元です。リチウム電池は販売価格が非常に高いためコスト比率が高く、充電パイルは給油所設備投資の1/3、時間利益は1.4元に落ち、総合コストは37元、燃料電池車のコスト優位性長い間、まだ非常に明白です。実際、これはすべての燃料電池のエネルギー密度の根源でもあり、同じ商業的ケースであり、自然のコストには利点があります。

新エネルギー車の開発のための重要な論理は、省エネと環境保護であり、これは間違いなく中国にとってより重要です。現在、中国は大気汚染が深刻であるだけでなく、最大60％の石油輸入に依存しており、その85％は米国が管理するマラッカ海峡の影響を受けています。エネルギー安全保障は、私たちの国家安全保障の最大の弱点になっています。したがって、国が新エネルギー車に巨額の補助金を与える重要な理由は、石油輸入への依存を緩和することです。したがって、以下では、次のように、省エネ、環境保護、およびリソースの制約の観点から2つを比較します。

省エネと環境保護の比較

現在、我が国の水素燃料電池材料は、最も経済的な水素製造手段であり、原料のリチウム電池力は、主に石炭から電力を生産しています。したがって、これらのエネルギー源は両方とも石炭に由来します。炭素排出量は単に上流に移動します。したがって、エネルギーが節約されるかどうかは、エネルギー変換効率に依存します。リチウム電池車は、100 kmごとに17度を消費します。これは、6.8kgの石炭に相当します。 100平方キロメートルあたりの燃料電池は水素を消費し、貯蔵と輸送のリンク損失は20％で、石炭は7.3kgでした。 10キログラムに相当する数百キロの燃料石炭炭素の10Lごとのガソリン車。実際、新エネルギー車の省エネ効果は明らかではなく、そのコアバリューは石油から中国の豊富な石炭埋蔵量への一次エネルギー消費にあり、エネルギー安全保障の問題を軽減します。環境保護の観点から、燃料電池からの排気ガスはほとんどなく、リチウム電池の排出量はごくわずかです。産業全体の汚染は主に上流に集中しています。しかし、分散したガソリン車の排気ガスの処理と比較して、上流の集中汚染制御は間違いなくはるかに困難ではありません。要約すると、燃料電池産業チェーンは汚染が最も少なく、最高のグリーンビークルエネルギーと見なすことができます。

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