什么是燃料電池，燃料電池汽車和電動汽車優(yōu)缺缺點(diǎn)
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-31 16:22
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全國大部分城市的老百姓最近幾年飽受霧霾的困擾，國家為了治理大氣污染，從09年開始大力推廣電動汽車。到2014年底，電動汽車終于沖上一個銷量的小高峰。眼看著電動汽車的春天就要來了，但卻半路殺出了一個程咬金，豐田主推的氫燃料電池汽車。哪一種汽車更有前途呢?今天電動邦為大家分析一下燃料電池汽車和電動汽車優(yōu)缺點(diǎn)。
豐田氫燃料電池汽車
電動汽車BEV(Battery Electric Vehicle)和燃料電池汽車FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)都是靠電機(jī)驅(qū)動車輛。BEV依靠電池里儲存的電能驅(qū)動，而FCEV則靠氫氣和氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)轉(zhuǎn)換成電能驅(qū)動。所以他倆本質(zhì)的區(qū)別是BEV儲存電能，需要高能量密度的汽車電池，而FCEV制造電能，需要大容量的燃料氫氣(通過儲氫罐)。
兩種技術(shù)從排放來說比傳統(tǒng)汽車都有很大的進(jìn)步，F(xiàn)CEV最后的排放是水，BEV則沒有排放，算是打了個平手。下面主要從技術(shù)方面看看他倆的優(yōu)劣。
燃料電池汽車FCEV相對BEV的優(yōu)勢
最大的優(yōu)勢是續(xù)航里程更長。FCEV的續(xù)航里程一般都是400公里以上，和傳統(tǒng)的燃油車非常接近。而對BEV來說，更長的續(xù)航里程意味著更重更貴的鋰電池包。目前BEV里頭只有Tesla Model S的續(xù)航里程超過了400公里，但代價是重達(dá)1噸、貴到20萬人民幣的電池包。再加上深度放電會影響鋰電池壽命，也就是不能像傳統(tǒng)汽車那樣將油用干再加滿，所以實(shí)際續(xù)航里程比宣稱的還要低不少。雖然FCEV的價格目前更高，但從前景來說，同樣續(xù)航里程的情況下，F(xiàn)CEV的成本會低于BEV。
另外一個很大的優(yōu)勢是補(bǔ)充燃料(電能)更快。FCEV的加氫是物理過程，3分鐘左右便可加滿。BEV的電池充電是電解反應(yīng)，充電的時候需要控制否則會有副反應(yīng)發(fā)生，目前快充是半個小時充滿80%，在將來很長一段時間內(nèi)比較難提高充電速度?？焖贀Q電池的解決方案受制于電池質(zhì)量、所有權(quán)、電池型號等問題，可能對于公交車有更多幫助，對私家乘用車來說，前景比較渺茫。
還有一個優(yōu)勢是FCEV無需擔(dān)心虧電問題?；瘜W(xué)反應(yīng)需要氧化劑、還原劑(俗稱燃料)和反應(yīng)場所。鋰電池里頭的氧化劑、還原劑(分別是正負(fù)極)存放距離非常近，只有10多個µ米，(1µ=0.000001)，即使不工作也會有自放電的電能損耗。而FCEV的反應(yīng)場所和燃料可以物理隔離，和傳統(tǒng)汽油車類似，不啟動基本不會影響續(xù)航里程。
燃料電池汽車FCEV對比BEV的劣勢
首先是FCEV的催化劑很貴，以燃料電池PEMFC為例，催化劑通常含有Pt，也就是鉑(俗名白金)。比黃金還貴的貴金屬，用來做催化劑實(shí)在是太肉疼了。更要命的是，這種貴重的催化劑，還會出現(xiàn)損耗。鉑在氣態(tài)硫氮氧化物(如一氧化碳，二氧化硫等)濃度以ppm為單位存在的情況下有嚴(yán)重的中毒情況，濃度高于百ppm中毒不可逆。我國目前的這種霧霾環(huán)境，意味著催化劑會不斷的被損耗。而PEMFC的催化劑載體碳，在放電狀態(tài)下很容易氧化造成結(jié)構(gòu)坍塌，致使Pt的催化面積迅速減小并流失。
制約FCEV發(fā)展的還有加氫站基礎(chǔ)建設(shè)。雖然目前服務(wù)BEV的充電站/樁發(fā)展也比較慢，沒有很好的商業(yè)模式吸引資本，更多的是依靠政府推動的公用充電站以及各家車廠/4S店建立為自家車主服務(wù)的充電站。但同需要服務(wù)FCEV的加氫站相比，充電樁占地小，投資少，時間短，改造線路便可投入使用。而加氫站則需要重新規(guī)劃，占地大，投資多，時間長。所以加氫站在很長一段時間內(nèi)沒法到位，通過建設(shè)加氫站刺激FCEV的銷量目前來看非常不可行。
FCEV和BEV的未來
短期來看，以BEV和PHEV(插電式混合動力汽車 )為主的新能源汽車會慢慢進(jìn)入良性循環(huán)階段，即更大容量的電池，更多的充電站和更多的銷量，彼此之間互相刺激提高增長。車廠將會推出越來越多的BEV和PHEV車型，而消費(fèi)者將會逐漸熟悉并習(xí)慣這些低排放新能源汽車。而FCEV由于續(xù)航里程以及加氫速度迅速的優(yōu)勢，車廠從長期來說會繼續(xù)投資FCEV。
如果做正極的話，那基本就要和石墨負(fù)極配，得到的電池基本就是1.5V的電池（一般鋰電池，3.4，3.7V的都有，現(xiàn)在好像還有4V的）。但是這也太搓了，電壓如此低，得到的電池能量密度也比較慘，看看電壓差別，就知道，能量密度起碼跌一半。
你們整天嫌電動車跑不遠(yuǎn)，就是因?yàn)殡姵啬芰棵芏却?，你再看看它?/div>
還沒完，它如果做正極，先充電的話要嵌鋰，這就要求負(fù)極必須含鋰。一般用的負(fù)極，比如石墨，都是不含鋰的，這就要求鋰化。鋰化的石墨/硅負(fù)極這個技術(shù)似乎已經(jīng)有，不過我聽來我們這里介紹的日本專家講了講，感覺可不像是什么已經(jīng)比較成熟的技術(shù)，至少個人認(rèn)為比鈦酸鋰離實(shí)用還要遠(yuǎn)。
總之，當(dāng)正極感覺十分不靠譜......
如果做負(fù)極的話，OK，這是它的本行吧。
它電壓是高一點(diǎn)，不過正好與電解液穩(wěn)定共存，不會生成SEI膜。因此材料安全性不錯，材料充放電時應(yīng)變又小，被譽(yù)為“零應(yīng)變材料”，總之壽命長，大倍率充放也比較耐受，聽說有一萬次的壽命。
但是，樹上的鳥兒成雙對......，它做負(fù)極的話，與幾種正極材料配合的情況如何？
電池的正負(fù)極相配是比較重要的內(nèi)容：比如這個負(fù)極特別牛，一萬次的壽命，可惜正極只能撐500下......一樣沒戲。
幾種典型的正極材料，如三元（現(xiàn)在也不錯了），鈷酸鋰、磷酸鐵鋰，錳酸鋰中，磷酸鐵鋰仍然是毫無疑問的壽命最高的（雖然你們老吐槽鐵鋰這這那那），磷酸鐵鋰的功率性能也很好（參見上次磷酸鐵鋰電池的回答），因此個人認(rèn)為和鈦酸鋰配合還比較靠譜。
不過這種電池，電壓只有3.4-1.5=1.9V，基本還是一個慘（普通磷酸鐵鋰電池，以石墨為負(fù)極，3.3V左右的電壓）。能量密度也相應(yīng)的非常寒磣。
總之鈦酸鋰這個材料，要么電壓再低點(diǎn)（當(dāng)負(fù)極），要么電壓再高一點(diǎn)（牛比無敵新正極），可能境遇都要好很多。
此外，這個材料價格貴是肯定的（RMB/kg），畢竟鈦不是什么特別便宜的東西，你再便宜能有錳鐵便宜？再加上能量密度低（WH/kg），所以算單位能量（RMB/WH）的價格時，只會更缺乏競爭力。（你們天天嫌電動車貴）
說來說去，其實(shí)人家也有優(yōu)點(diǎn)，材料穩(wěn)定，安全，大倍率功率性能良好，因此對于“快充” “功率型”用途，一定是比較適合的，這一點(diǎn)沒有問題，人家沒撒謊。
但是，這種功率型用途是靠犧牲能量密度得來的，以前裝100kg電池，現(xiàn)在如果還想跑那么遠(yuǎn)，就要裝200kg...... 所以相應(yīng)的也就做了一些調(diào)整，比如就少裝電池，然后跑一趟充一次，每次都快充。 其實(shí)我覺得，這也算是一種成功的運(yùn)行模式。只不過真的得把單位能量（RMB/WH）的價格這筆賬算清楚，畢竟受認(rèn)可的產(chǎn)品，成本一定得有點(diǎn)競爭力，而在這點(diǎn)上鈦酸鋰好像不太樂觀。
另外一個快充，電流大，略危險，能量損失率高，算了......我覺得我像是一個快充黑，總之快充有優(yōu)點(diǎn)，也有不足，客觀看待吧。
PS：這個鈦酸鋰做負(fù)極與磷酸鐵鋰配合，充分發(fā)揮穩(wěn)定、長壽命、高功率的優(yōu)點(diǎn)時，做一些功率型、儲能型電池，還是比較靠譜的，貌似有廠家有這個產(chǎn)品。
