性能

 

鋰離子電池和燃料電池內(nèi)部發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)已經(jīng)決定了電池的可逆電動(dòng)勢(shì)。對(duì)于一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)，其可逆電動(dòng)勢(shì)可由公式計(jì)算為：

 

其中是在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下電化學(xué)反應(yīng)的吉布斯自由能的變化，吉布斯自由能的變化反映了電化學(xué)反應(yīng)在熱力學(xué)上的可能性，的大小由反應(yīng)本身的性質(zhì)、反應(yīng)物和生成物的濃度以及反應(yīng)溫度決定。n為每摩爾反應(yīng)物轉(zhuǎn)移的電子摩爾數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下燃料電池的可逆電動(dòng)勢(shì)為1.25V左右，可逆電動(dòng)勢(shì)隨溫度升高而降低。而對(duì)于鋰離子電池，由于在反應(yīng)過(guò)程中正負(fù)極材料的結(jié)構(gòu)不斷發(fā)生變化，因此其可逆電動(dòng)勢(shì)也不斷變化，電池的可逆電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)發(fā)生的程度有對(duì)應(yīng)的關(guān)系，因此可以根據(jù)OCV-SOC曲線，通過(guò)測(cè)量OCV判斷電池的荷電狀態(tài)。燃料電池和鋰離子電池在實(shí)際使用過(guò)程中性能曲線如表2所示。

 

能量密度

 

電動(dòng)汽車(chē)完全以電池作為動(dòng)力，更強(qiáng)調(diào)充電后的續(xù)駛能力，因而更關(guān)注電池的能量密度。鋰離子電池能量密度提升受制于電池材料理論瓶頸。目前，國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽動(dòng)力型動(dòng)力電池正極材料以磷酸鐵鋰（LFP）為主，負(fù)極材料仍主要采用石墨材料，其比能量約為90~140Wh/kg。而燃料電池是一種發(fā)電裝置，能量密度遠(yuǎn)高于鋰離子電池。在與能量密度直接對(duì)應(yīng)的整車(chē)?yán)m(xù)駛里程方面，豪華電動(dòng)汽車(chē)Tesla的續(xù)駛里程剛達(dá)到500km；而以豐田Mirai、現(xiàn)代ix35為典型代表的燃料電池車(chē)?yán)m(xù)駛里程都在500km以上。因此在能量密度方面，燃料電池比鋰離子電池好。

 

壽命

 

燃料電池和鋰離子電池的性能都會(huì)隨著電池使用程度的加深而變差。并且汽車(chē)的起停和加減速工況占總工況的很大一部分，這使得電池工作電流區(qū)間跨度大，且電流變化率也非常大，這無(wú)疑會(huì)縮短電池壽命。因此，對(duì)動(dòng)力型燃料電池和鋰離子電池的壽命問(wèn)題進(jìn)行研究成為其使用關(guān)鍵問(wèn)題之一。

 

成本

 

目前，國(guó)內(nèi)鋰離子電池系統(tǒng)的成本在1800元/kWh左右，燃料電池堆（不含系統(tǒng)中的燃料系統(tǒng)等各種附件）的成本在5000元/kW左右。對(duì)于一輛普通轎車(chē)，假設(shè)是電動(dòng)汽車(chē)，電量配置60kWh（BYDE6配置60kWh）其成本在9.6萬(wàn)元。如果是燃料電池車(chē)，功率配置100kW(豐田Mirai配置114kWh)，電堆成本在50萬(wàn)左右。

 

燃料電池的成本目前明顯高于鋰離子電池，這是限制燃料電池發(fā)展的瓶頸。一般認(rèn)為，燃料電池的成本偏高主要是由于使用了貴金屬Pt，而實(shí)際Pt的成本計(jì)算如下：目前較高的Pt載量的水平為：0.4mg/cm2，其電性能水平為1600Ma@0.6V/cm2，即0.96W/cm2。對(duì)于100kW的燃料電池系統(tǒng)中使用的Pt含量為41.67g。Pt的價(jià)格按照500元/g計(jì)算，使用的Pt的成本為41.67*500=20833元。對(duì)于100kW的燃料電池堆的成本在50萬(wàn)元以上，Pt的成本只占總成本的4%左右。燃料電池的成本主要是因?yàn)槟壳安牧虾拖到y(tǒng)的工藝都不太成熟，而隨著商業(yè)化的發(fā)展，其成本必然有非常大幅度下降。

 

安全性與相關(guān)法規(guī)

 

動(dòng)力電池的安全性是電動(dòng)汽車(chē)發(fā)展過(guò)程中首先需要考慮和解決的問(wèn)題。動(dòng)力型鋰離子電池安全性的提高需要建立從材料、電池及關(guān)鍵部件到系統(tǒng)安全保障等一系列技術(shù)措施。隨著單體電池的大型化和成組化使用，動(dòng)力型鋰離子電池系統(tǒng)安全問(wèn)題面臨著新的挑戰(zhàn)。而燃料電池的燃料是氫氣，屬于易燃易爆氣體，因此市場(chǎng)普遍擔(dān)心其的安全性問(wèn)題，而實(shí)際上氫氣的安全性相較于汽油和天然氣并不差。

 

單體層級(jí)燃料電池的安全設(shè)計(jì)少于鋰離子電池。系統(tǒng)集成層級(jí)燃料電池系統(tǒng)比鋰離子電池系統(tǒng)復(fù)雜。由于使用了可燃?xì)怏w氫氣，多了對(duì)氫氣的泄露保護(hù)設(shè)計(jì)。由于需要防止質(zhì)子交換膜潤(rùn)濕不充分帶來(lái)的影響，需要通過(guò)監(jiān)控內(nèi)阻來(lái)監(jiān)控內(nèi)部濕度的變化。燃料電池和鋰離子電池相關(guān)安全性設(shè)計(jì)如表4所示。

 

動(dòng)力型鋰離子電池的還原劑和氧化劑都存儲(chǔ)在同一個(gè)裝置中，之間僅有一層微米級(jí)別厚度的隔膜，而燃料電池的還原劑和氧化劑在電池外部分開(kāi)放置。從原理上講，燃料電池的安全性優(yōu)于鋰離子電池。通過(guò)一系列的安全防護(hù)，兩種電池的安全性都在可接受的程度。

 

為了保證動(dòng)力電池的安全性，國(guó)家針對(duì)動(dòng)力型鋰離子電池和燃料電池制定了一系列的標(biāo)準(zhǔn)，從而確保動(dòng)力電池的安全性、可靠性。如表5所示，燃料電池相對(duì)鋰離子電池的標(biāo)準(zhǔn)偏少，發(fā)行時(shí)間早，標(biāo)準(zhǔn)與現(xiàn)狀符合性不如鋰離子電池。電動(dòng)汽車(chē)有對(duì)應(yīng)的定型試驗(yàn)規(guī)程《GB/T18388-2005電動(dòng)汽車(chē)定型試驗(yàn)規(guī)程》，而燃料電池車(chē)定型規(guī)程作為汽車(chē)行業(yè)對(duì)于新能源汽車(chē)產(chǎn)品定型的一個(gè)必備標(biāo)準(zhǔn)急待推出。