你知道共生共存的氫燃料電池與鋰電池區(qū)別有哪些嗎？
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-04-24 12:52
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A1: 操作原理與Li離子二次電池的操作原理相同，都是負(fù)極材料被正極材料氧化時(shí)，釋放電量。具體到燃料電池就是氫氧化形成水的反應(yīng)，與緩慢燃燒一樣。所不同的是由H離子代替Li離子移動(dòng)放電（發(fā)電），因此燃料電池也可以說是“H（氫）離子電池”。不過，目前已經(jīng)商用化的只有不能充電的一次電池。
PEFC（固態(tài)高分子型燃料電池）的組成
Q2：與鋰離子二次電池相比有哪些特點(diǎn)？如果不能充電那是一次性的嗎？
A2：氫氣本身的燃燒能量密度是汽油的3倍。即使是在燃料電池系統(tǒng)中，能量密度也高達(dá)鋰離子二次電池的5倍左右，因此可以使用很長時(shí)間。即使初始容量耗盡，也不會(huì)是一次性的。原因是正極材料（氧氣）在空氣中存在且不會(huì)消失。負(fù)極材料（氫）也是氣體，當(dāng)它消耗完后可以重新填充。
A3：（例如）可以從水或太陽提取，然后將提取的氫氣在燃料電池中使用時(shí)，它又會(huì)變回水。太陽能發(fā)電和水電解設(shè)備，燃料電池可以說是通過水和氫將太陽能轉(zhuǎn)換成電能的機(jī)制。
Q4：二十年前日本就在提燃料電池與氫氣社會(huì)，這一次是真的要來到了嗎？
A4：最近，各種技術(shù)的發(fā)展和社會(huì)環(huán)境的變化顯示時(shí)機(jī)有到來的趨勢(shì)。例如：
輸出密度比20年前提高了3倍以上。
電動(dòng)汽車（EV）、無人機(jī)等領(lǐng)域一度引起熱潮，但在實(shí)際用途中續(xù)航里程以及充電時(shí)間等痛點(diǎn)問題非常深刻，越來越多人意識(shí)到燃料電池可能解決上述問題。
目前普遍使用城市燃?xì)夂图状甲鳛槿剂?，但是存在氫轉(zhuǎn)化過程中一部分能量被消耗的問題。通過直接使用純氫，可以得出燃料電池的原始性能。目前基礎(chǔ)設(shè)施在逐步完善。
Q5：如果燃料電池出來，還需要鋰離子二次電池嗎？FCV與EV的關(guān)系將會(huì)如何？
A5：最佳使用方式在技術(shù)上是不同的，通過組合使用燃料電池與鋰離子電池，可以創(chuàng)建迄今無法完成的新應(yīng)用或避免浪費(fèi)成本。而且許多現(xiàn)有的燃料電池汽車（FCV）配備了容量不小的二次電池，實(shí)際上是半EV產(chǎn)品的形態(tài)。所以經(jīng)濟(jì)合理性對(duì)于推廣才是最重要的，目前可預(yù)見的趨勢(shì)首先是與鋰離子二次電池一起使用才更合適。
FCV考慮首先從商用車輛（公共汽車，長途卡車，叉車，無人機(jī)等）引入，其中續(xù)航里程和稼動(dòng)率很重要。如果未來自動(dòng)駕駛普及的話，城市汽車采用FCV的可能性也很大。
Q6：有一種說法是日本雖然技術(shù)先進(jìn)，但布局太早是否被孤立了？
A6：雖然日本制造商在技術(shù)方面保持優(yōu)勢(shì)，但海外也在猛烈追趕。在市場(chǎng)開拓和發(fā)展氫氣供應(yīng)基礎(chǔ)設(shè)施等方面，不如說海外現(xiàn)在的進(jìn)展更快。美國Amazon和Walmart已經(jīng)共計(jì)導(dǎo)入了約2萬臺(tái)燃料電池（FC）叉車。日本早期布局很早，但中間睡覺了，猛然覺醒的當(dāng)下，有點(diǎn)睡過頭的兔子的狀態(tài)。
與LIB電池將保持互補(bǔ)的關(guān)系
我們比較了面向汽車市場(chǎng)的LIB和FC兩種電池技術(shù)的特征。FC電池具備明顯優(yōu)勢(shì)的方面是：（1）高能量密度，（2）燃料（充電）時(shí)間短，（3）大容量化時(shí)低成本。
FC電池與LIB電池不是競(jìng)爭(zhēng)而是互補(bǔ)關(guān)系
FC系統(tǒng)與鋰離子二次電池（LIB）的比較。能量密度方面即使考慮氫氣罐等，F(xiàn)C系統(tǒng)依然勝出。另一方面，F(xiàn)C的負(fù)荷跟隨性和電力利用效率低。雖然容量增加可以實(shí)現(xiàn)低成本，但是高功率輸出的成本就比較昂貴。FC使用的加氫站日本國內(nèi)僅有大約100個(gè)，但快速充電器就有大約7000所，如果包含家用交流電源，則電動(dòng)車得充電設(shè)施數(shù)量與FC差異巨大。
（A）EV與FCV長途駕駛時(shí)的優(yōu)劣比較
（B）EV和FCV的用途區(qū)分
行駛距離越長差異就越大
使用EV卡車和FCV卡車時(shí)的差異（a）。EV卡車的速度通常相對(duì)較快，但巡航距離較短。此外，現(xiàn)有充電設(shè)施需要超過3個(gè)半小時(shí)才能充滿電。充電時(shí)間成為長途旅行的一大損失。另一方面，即使FCV卡車的行駛速度低，巡航距離很長，充氫只需15到20分鐘。因此，F(xiàn)CV卡車的平均時(shí)速更高。
為了區(qū)別應(yīng)用，在不需要長續(xù)航距離的城市道路應(yīng)用中，充電機(jī)會(huì)多且電力利用效率更高得EV是有利的，另一方面重型應(yīng)用與無人機(jī)等電池的重能量密度很重要的應(yīng)用，以及24小時(shí)駕駛的自動(dòng)駕駛出租車等應(yīng)用領(lǐng)域，F(xiàn)CV都成為更有利的選擇。最近，還開始開發(fā)用于自動(dòng)駕駛車輛在氫站充氫時(shí)不需要人員介入的充氫機(jī)器人動(dòng)向（b）。
LIB電池彌補(bǔ)FC電池的弱點(diǎn)
雖然按照上面得說法即使都用FCV電池看起來也還不錯(cuò)，但現(xiàn)實(shí)并非如此，同樣FCV還存在一些弱點(diǎn)。具體而言，（1）短距離應(yīng)用中的電力使用效率低，（2）負(fù)載跟隨能力低，（3）不容易實(shí)現(xiàn)高功率輸出，（4）充電基礎(chǔ)設(shè)施，即充氫站的數(shù)量是遠(yuǎn)遠(yuǎn)不夠。
（A）從發(fā)電到使用全過程中，LIB的效率是FC的兩倍
（B）考慮車輛重量等因素后的巡航距離和效率之間的關(guān)系
電力的一般利用效率與汽車效率不同
考慮到諸如FC和LIB等二次電池的一般電力使用效率，F(xiàn)C僅具有LIB（a）的1/2效率。這是因?yàn)镕C需要將電轉(zhuǎn)換成氫，壓縮并輸送，然后再次將氫轉(zhuǎn)換成電的過程中損失很大。另一方面，如果考慮巡航范圍不同的車輛功率使用效率，車輛或無人駕駛飛機(jī)二次電池重量能量密度低。同時(shí)因?yàn)檫\(yùn)輸電池本身也會(huì)消耗電量，如果通過加大電池?cái)?shù)量來提高續(xù)航里程效率反而會(huì)急劇下降（b）。
所以符合這一邏輯的構(gòu)圖是LIB電池僅適用于通過小電池容量就能滿足的短距離駕駛EV。裝載大容量電池以獲得續(xù)航里程的EV車型中，大部分電力將用來運(yùn)輸電池本身，實(shí)際效率將低于FCV車型。無人駕駛飛機(jī)應(yīng)用上這一邏輯更加明顯。
許多FCV車型實(shí)際是二次電池和FC電池的混合動(dòng)力型
根據(jù)馬力和續(xù)航里程對(duì)目前市面已經(jīng)發(fā)布的EV和FCV進(jìn)行了分類，F(xiàn)CV大約具備相同馬力的EV車型兩倍的續(xù)航里程。然而，最近的FCV車型一般都會(huì)搭載小型EV差不多相同容量的二次電池，由二次電池和FC的混合系統(tǒng)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。
單獨(dú)的DRAM，或單獨(dú)的HDD都無法獨(dú)自驅(qū)動(dòng)
順便提一下，LIB和FC在內(nèi)的存儲(chǔ)能源技術(shù)之間的關(guān)系非常類似于計(jì)算機(jī)存儲(chǔ)器中DRAM，SSD，HDD，磁帶等的關(guān)系（圖10）。盡管DRAM具有低延遲，但是增加容量需要很大的成本，因此人們將它與SSD（盡管延遲稍大，但比特率低）結(jié)合使用。此外，為了確保更大的記錄容量或長期存儲(chǔ)一般用HDD，而日常則與系統(tǒng)分開保管的磁帶更受歡迎。
FC電池類似于存儲(chǔ)器中HDD或是磁帶的定位
根據(jù)數(shù)據(jù)記錄（存儲(chǔ)器）技術(shù)的特性差異進(jìn)行區(qū)分（a），以及根據(jù)各種蓄電/存儲(chǔ)能量技術(shù)的特性差異（b）進(jìn)行比較。在成本和響應(yīng)性方面，LIB電池類似于存儲(chǔ)器技術(shù)中閃存一樣的存在。另一方面，F(xiàn)C電池對(duì)應(yīng)于HDD和磁帶。類似于存儲(chǔ)技術(shù)中結(jié)合不同特性的技術(shù)使得個(gè)人計(jì)算機(jī)等成為更加有用的設(shè)備，利用蓄電/能量存儲(chǔ)技術(shù)的組合也有可能產(chǎn)生更高價(jià)值。
LIB作為能量?jī)?chǔ)存技術(shù)在相對(duì)短時(shí)間內(nèi)充放電用途上由于高效率等優(yōu)勢(shì)實(shí)用價(jià)值高，但用于大規(guī)模或長期存儲(chǔ)的目的則成本太高。與之相反，F(xiàn)C電池在長時(shí)間內(nèi)充放電用途上性能優(yōu)異，可以成為非常低成本的長期存儲(chǔ)手段。如果LIB和FC互相補(bǔ)充對(duì)方的弱點(diǎn)，則在一些目前各自單獨(dú)都無法完成的用途上產(chǎn)生新突破的可能性極其高。
LIB和FC電池兩面夾擊“抽水蓄電“
甚至還出現(xiàn)了將上述觀點(diǎn)細(xì)化研究形成的論文，考慮了制造成本和使用成本的長期變化，以及使用的差異等。2019年1月，英國帝國理工學(xué)院的研究人員展示了9種儲(chǔ)能技術(shù)的最低利用成本的應(yīng)用及這些技術(shù)隨時(shí)間的變化，包括LIB和FC電池。
