關(guān)于鋰電池和燃料電池作汽車動(dòng)力源的對(duì)比
來(lái)源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-06-10 11:33
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最近幾年，鋰離子電池純電動(dòng)汽車在我國(guó)已經(jīng)成為新能源汽車的主流路線，當(dāng)前我國(guó)純電動(dòng)汽車基本上是乘用車以三元動(dòng)力電池為主而商用車主要采用磷酸鐵鋰動(dòng)力電池的發(fā)展格局。
而作為全球電動(dòng)汽車研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)頭羊的日本，在電動(dòng)汽車技術(shù)路線上與我國(guó)并不一致。2014年12月，全球第一大汽車公司豐田汽車(Toyota)正式推出了全球首款量產(chǎn)型燃料電池電動(dòng)汽車Mirai，這款車在日本的售價(jià)為723.6萬(wàn)日元(折合人民幣38.3萬(wàn)元，補(bǔ)貼售價(jià)為27.5萬(wàn)元)。
緊跟其后，本田汽車(Honda)也在2015年下半年發(fā)布了其新一代燃料電池汽車FCV Clarity。其實(shí)早在2014年5月，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省就發(fā)布了《氫燃料電池車普及促進(jìn)策略》，從而制定了日本國(guó)內(nèi)氫燃料電池車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
之后，日本政府在《實(shí)現(xiàn)氫社會(huì)政策建言》的議案中，提出了具體的氫燃料電池車普及目標(biāo)及政策支持方案。此外，日本日產(chǎn)(Nissan)、韓國(guó)現(xiàn)代汽車(Hyundai)、美國(guó)通用汽車(GM)、德國(guó)寶馬(BMW)和大眾(VW)也都在近兩年陸續(xù)發(fā)布了各自的燃料電池電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)化規(guī)劃。
我們可以看到，中國(guó)與日本(實(shí)際上也包括韓國(guó)和歐美主流車企)在純電動(dòng)汽車發(fā)展方向上選擇了不同的技術(shù)路線。兩田(Toyota和Honda)燃料電池電動(dòng)汽車量產(chǎn)的消息在國(guó)內(nèi)電動(dòng)汽車界引發(fā)了激烈的討論并且形成了兩種觀點(diǎn):
一種觀點(diǎn)認(rèn)為日本汽車界在純電動(dòng)汽車上走燃料電池路線是錯(cuò)誤(路線錯(cuò)誤論)，例子就是當(dāng)前國(guó)際上火熱的美國(guó)Tesla純電動(dòng)汽車。
而另一種觀點(diǎn)則認(rèn)為，日本發(fā)展燃料電池汽車更多的是為了其軍工產(chǎn)業(yè)服務(wù)，并且誤導(dǎo)中國(guó)電動(dòng)汽車發(fā)展方向(陰謀論)。
這些不同觀點(diǎn)暫且放下，面對(duì)Toyota和Honda燃料電池汽車小批量商業(yè)化生產(chǎn)的現(xiàn)實(shí)，我們當(dāng)下首先需要認(rèn)真思考的是為什么中國(guó)和日本在發(fā)展純電動(dòng)汽車方面選擇了不同的技術(shù)路線?或者說(shuō)鋰離子電池和燃料電池到底哪種動(dòng)力系統(tǒng)更加合適純電動(dòng)汽車?
不管是鋰離子電池(Li-ion battery， LIB)還是質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell， PEMFC)，都是非常專業(yè)高深的高科技領(lǐng)域，涉及到多學(xué)科的綜合。筆者對(duì)這兩種化學(xué)電源體系都有相當(dāng)?shù)牧私猓疚闹泄P者將拋開(kāi)深?yuàn)W的電化學(xué)、固體化學(xué)以及電催化方面的科學(xué)原理，站在宏觀的角度深入淺出地從多個(gè)方面對(duì)這兩種化學(xué)電源體系進(jìn)行分析比較，希望能夠在純電動(dòng)汽車動(dòng)力源的問(wèn)題上給廣大讀者提供一些不同的視野和角度。
對(duì)這兩種動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行比較分析之前，我們首先要認(rèn)識(shí)LIB和PEMFC最本質(zhì)的特征，這樣才能認(rèn)識(shí)這兩種化學(xué)電源各自的適用領(lǐng)域。
從根本上而言，二次電池是一種能量存儲(chǔ)裝置，通過(guò)可逆的電化學(xué)反應(yīng)實(shí)現(xiàn)電能的存儲(chǔ)和釋放。衡量二次電池存儲(chǔ)電能能力的基本指標(biāo)是能量密度(Wh/Kg 或者Wh/L)。而燃料電池則是一種電能生產(chǎn)裝置，它通過(guò)電催化反應(yīng)將燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)換成電能釋放出來(lái)。
雖然燃料電池也叫“電池”(中文翻譯的原因)，但是它的基本工作模式卻與內(nèi)燃機(jī)有些相似，跟常規(guī)二次電池有著本質(zhì)上的區(qū)別。衡量燃料電池電能生產(chǎn)能力的基本指標(biāo)是功率密度(W/Kg 或者W/L)。這兩種電化學(xué)電源體系工作方式上的本質(zhì)不同，將直接決定它們?cè)趹?yīng)用層面上的不同定位，筆者在后面將會(huì)詳細(xì)討論。
在比較分析鋰離子電池(LIB)和質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)在純電動(dòng)汽車領(lǐng)域的應(yīng)用前景之前，我們有必要簡(jiǎn)單回顧一下兩者的發(fā)展歷程，這樣讀者就可以對(duì)兩者有更加直觀的認(rèn)識(shí)。
如果我們仔細(xì)分析過(guò)去20年里，歐盟(EU)和美國(guó)能源部(DOE)在鋰電和燃料電池領(lǐng)域基礎(chǔ)研究和產(chǎn)業(yè)政策方面的變化，就可以很清楚地看到，鋰電和燃料電池其實(shí)是一對(duì)不折不扣的“歡喜冤家”。
其實(shí)在十九世紀(jì)末期，汽車最早就是從電池車發(fā)展起來(lái)的，鉛酸電池車的產(chǎn)量在二十世紀(jì)初期達(dá)到了頂峰。但是，隨著1908年福特創(chuàng)新性地采用流水線批量生產(chǎn)T型車(大幅降低成本)，以及1912年汽油車電打火啟動(dòng)的出現(xiàn)(使用更加便捷)，則對(duì)鉛酸電池車造成了致命打擊，電動(dòng)車從此退出了歷史舞臺(tái)。直到上世紀(jì)末由于高能化學(xué)電源(二次電池和燃料電池)的技術(shù)進(jìn)步，電動(dòng)汽車才再度引起重視。
國(guó)際上第一輪燃料電池的研究熱潮發(fā)生在上世紀(jì)七十年代，由于美國(guó)航天事業(yè)的需求而帶動(dòng)了堿性燃料電池(AFC)的實(shí)用化，后來(lái)GM還制造出了全球首輛AFC燃料電池汽車。由于AFC必須使用純氧而不能直接利用空氣，使得AFC無(wú)法應(yīng)用于民用領(lǐng)域，但是AFC很多技術(shù)后來(lái)被移植到了PEMFC上。
上世紀(jì)七十年代由于阿以戰(zhàn)爭(zhēng)導(dǎo)致了兩次國(guó)際石油危機(jī)，不僅對(duì)全球政治、經(jīng)濟(jì)格局產(chǎn)生了深遠(yuǎn)的影響，而且也促使西方國(guó)家深刻地認(rèn)識(shí)到尋找新型能源的重要性，從而對(duì)新型高能化學(xué)電源的研究產(chǎn)生了前所未有的巨大推動(dòng)。
