關(guān)于燃料電池與鋰電池全方位對比介紹
來源：寶鄂實業(yè)
2019-11-26 12:15
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燃料電池其實相當(dāng)于傳統(tǒng)汽車的內(nèi)燃機(jī)。內(nèi)燃機(jī)燒油，只是能量轉(zhuǎn)化裝置，不是儲能裝置；燃料電池?zé)龤錃猓彩悄芰哭D(zhuǎn)化裝置，不是儲能裝置。
而鋰電池是儲能裝置，所以嚴(yán)格來說，燃料電池不是電池，是發(fā)動機(jī)。
能量密度
能量密度（Energy density）是指在一定的空間或質(zhì)量物質(zhì)中儲存能量的大小。電池的能量密度是電池平均單位體積或質(zhì)量所釋放出的電能。
電池的能量密度又分為單體電芯的能量密度和電池系統(tǒng)的能量密度，電池系統(tǒng)的能量密度低于單體電芯。
鋰電池系統(tǒng)屬于封閉系統(tǒng)，由于受制于鋰元素特性，已目前在鋰電池中能量密度最高的三元鋰電池為例，其單體能量密度也僅為1.08MJ/kg（電池包系統(tǒng)衰減20%）。
未來如果要提升鋰電池的能量密度，需依靠全固態(tài)電池技術(shù)的突破，但其能量密度上限也不高。
燃料電池系統(tǒng)屬于開放性系統(tǒng)，其能量密度實質(zhì)上取決于儲氫量，氫氣本身的能量密度為143MJ/Kg，而且目前燃料電池系統(tǒng)能量密度超過350wh/kg，未來隨著儲氫技術(shù)的進(jìn)步，能量密度提升仍有非常大的空間。
功率密度
功率密度是動力電池最大輸出功率與電池系統(tǒng)質(zhì)量或體積的比值。
鋰電池系統(tǒng)如果提高其輸出功率使其能夠高功率放電，一般解決辦法是增加電池數(shù)量，這樣同時會加大整個電池系統(tǒng)的重量，即使Tesla采用了目前能量密度最好的三元電池，其電池組件重量都接近半噸。
因此鋰電池系統(tǒng)高功率放電與高續(xù)航里程無法兼容，功率密度提升有限。
燃料電池本質(zhì)上可以理解為以氫氣為原料的化學(xué)發(fā)電系統(tǒng)，因此輸出功率比較穩(wěn)定，一般為了最大提高放電功率只要附加動力電池系統(tǒng)即可，如豐田Mirai配套了鎳氫電池。
燃料電池系統(tǒng)作為一個開放動力系統(tǒng)，輸出功率提升容易，附加的電池也不會增加過多重量，豐田Mirai功率密度達(dá)到了2036W/kg。
安全性
無論搭載鋰電池的純電動車還是搭載燃料電池的汽車，只要是汽車那么安全性就是最重要的指標(biāo)。
鋰電池作為封閉的能量體系，從原理上高能量密度和安全性就很難兼容，如果單純追求高能量密度，那么整個鋰電池系統(tǒng)就相當(dāng)于炸彈。
因此現(xiàn)在主流工藝路線中，能量密度低的磷酸鐵鋰安全性較好，電池溫度達(dá)到500~600度時才開始分解，基本不需要太多的保護(hù)輔助設(shè)備。
Telsa采用的三元電池能量密度雖高，但不耐高溫，250~350度就會分解，安全性差。
其解決方法是并聯(lián)了超過7000節(jié)的電池，大幅降低了單個電池漏液，爆炸帶來的危險。
但是如果分析特斯拉汽車發(fā)生的事故，要么是輕微的碰撞，要么是靜態(tài)情況，但電池卻著火了，因此其安全性方面還存在很多問題。
燃料電池本身安全性很好，其用于車載后，因此其安全性主要來自于儲氫系統(tǒng)。
但通過大量的實驗證明，相比汽油和天然氣這兩種常見的車用可燃?xì)怏w，氫氣的安全性并不差。
而且現(xiàn)在車用儲氫裝置都采用碳纖維材料，在80KM/h速度多角度碰撞測試中都可以做到毫發(fā)無損。
即使車禍導(dǎo)致泄露，由于氫氣爆炸要求濃度高，在爆炸前一般就已經(jīng)開始燃燒，反而很難爆炸。
而且氫氣重量輕，溢出系統(tǒng)的氫氣著火后會迅速向上升起，反而一定程度上保護(hù)了車身和乘客。因此隨著商業(yè)化推進(jìn)，其整體安全性是可控的。
可靠性
電池的可靠性指的是電池發(fā)生事故導(dǎo)致其喪失電能存儲能力的概率。
鋰電池的可靠性與其安全性問題有很大的關(guān)聯(lián)，但是卻不是一個概念。鋰電池發(fā)生安全性事故，必然將導(dǎo)致其喪失電能存儲能力。
但鋰電喪失電能存儲能力并不都是發(fā)生安全性事故而導(dǎo)致，比如由于容量“跳水”導(dǎo)致的電池失效。
鋰電池系統(tǒng)是由成百上千個單體電芯通過串并聯(lián)組裝在一起的，因此整個電池系統(tǒng)的不可靠性將被急劇放大。
從國內(nèi)純電動汽車所積累的數(shù)據(jù)來看，鋰電池系統(tǒng)的可靠性目前還不能令人滿意。
而燃料電池從上個世紀(jì)70年代就已經(jīng)應(yīng)用于航天飛機(jī)，美國國際燃料電池公司（IFC）生產(chǎn)的第三代AFC（標(biāo)稱/極限功率7.0/12.0 KW）后來成為美國航天飛機(jī)的標(biāo)準(zhǔn)動力源。
目前全球正在或者即將服役的常規(guī)潛艇大多采用PEMFC（質(zhì)子交換膜燃料電池）作為主動力電池系統(tǒng)。
俄羅斯、韓國、澳大利亞、以色列和意大利的新型常規(guī)潛艇都采用PEMFC燃料電池技術(shù)，大型PEMFC電堆單純就技術(shù)層面而言已經(jīng)發(fā)展到了高度完善可靠的程度。
因此燃料電池具有極高的可靠性。
環(huán)境溫度適應(yīng)性
由于汽車使用地域的廣泛性，對于新能源汽車而言，溫度適應(yīng)性就非常重要了，其能適應(yīng)什么樣的溫度范圍則取決于動力電池本身。
當(dāng)前，鋰電池在零度以上的生活環(huán)境中性能不會受到到影響，但是零度以下出現(xiàn)的問題是其急需解決的難題。
鋰電的低溫性能主要取決于溫度對電極材料的電導(dǎo)、離子擴(kuò)散系數(shù)以及電解液電導(dǎo)率的影響。
低溫下電解液的粘度增大電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致電池極化急劇增加。尤其當(dāng)鋰電池在接近零度時，其性能急劇下降，-20℃幾乎無法正常工作。
而且低溫下頻繁充放電會嚴(yán)重惡化鋰電池的壽命，并且容易導(dǎo)致負(fù)極析出鋰而帶來安全隱患。
燃料電池在啟動以后，由于電池本身的工作原理會放熱，即使是在很低的環(huán)境溫度下燃料電池電堆的溫度也會很快穩(wěn)定在80~90℃的正常工作溫度范圍。
豐田和本田公司的燃料電池汽車已經(jīng)做到了-30℃啟動，但是對于燃料電池而言，仍然需要繼續(xù)提高其在低溫下的性能，-40℃是未來的主要目標(biāo)。
相關(guān)成本
動力電池涉及到了方方面面的成本，包括消耗成本、電池本身的成本和基礎(chǔ)設(shè)施成本。
鋰電池方面
鋰電池消耗的是電，其成本主要是電費，鋰電池汽車一般百公里耗電量約為17度，按照電價按照0.5元（家庭充電）~2.2元/度電（商用）來計算，其消耗成本為8.5~37.4元/百公里。
鋰電池本身的成本價格，根據(jù)相關(guān)資料計算，其價格在8~9元/kwh左右。
鋰電池車用的基礎(chǔ)設(shè)施主要為充電站，目前單個充電站基礎(chǔ)設(shè)施和配電設(shè)施投資在430萬元左右。
燃料電池方面
燃料電池消耗的是氫氣，消耗成本即為氫氣消耗量的價格。
當(dāng)前我國已商業(yè)化的加氫站氫氣銷售價格在30~120元/公斤之間（上海驛藍(lán)加氫站氫氣價格為40~45元/公斤），按照乘用車一公斤氫氣續(xù)航100公里計算，其成本為30-120元/百公里。
燃料電池本身的成本跟產(chǎn)量有關(guān)，由于國外燃料電池汽車相對國內(nèi)較為成熟，因此成本相對較低。
根據(jù)相關(guān)資料計算，國外當(dāng)燃料電池產(chǎn)量達(dá)到50萬臺時其成本可以降至40美元/kW，當(dāng)前國內(nèi)由于產(chǎn)量小，電池成本在1~1.5萬/kw之間。
燃料電池車用的基礎(chǔ)設(shè)施為加氫站，加氫站的建設(shè)成本跟其加氫能力有關(guān)，一般來說，加氫能力越大，加氫站整體投資價格越高。
根據(jù)公開資料顯示，國內(nèi)500kg/d供氫能力的加氫站的投資規(guī)模在1200~1800萬之間。
其中南海瑞暉加氫站成本1550萬元，佛羅路加氫站成本1250萬元，瀚藍(lán)松崗禪炭路加氫站成本為2985萬元。
當(dāng)前我國加氫站建設(shè)價格最高的為上海驛藍(lán)金山加氫站，此加氫站也為目前全球規(guī)模最大的加氫站，總投資額5500萬元。
政策支持
無論鋰電池汽車還是燃料電池汽車，由于其各方面高額的成本，前期發(fā)展均需要國家的大力支持。
2019年3月26日，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部和發(fā)展改革委四部委聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于進(jìn)一步完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補(bǔ)貼政策的通知》。
重點內(nèi)容包括：
1、國補(bǔ)力度大幅退坡，補(bǔ)貼基數(shù)綜合下降程度超50%；
2、2019年3月26日至2019年6月25日為過渡期，期間按2018年補(bǔ)貼的0.1倍和0.6倍進(jìn)行補(bǔ)貼；
3、過渡期后地補(bǔ)取消，轉(zhuǎn)為支持充電（加氫）等配套設(shè)施；
4、電池技術(shù)要求更高，但調(diào)整系數(shù)下修。
該政策中與燃料電池相關(guān)的有：
1、3月26日—6月25日為過渡期，期間銷售上牌的燃料電池汽車按2018年對應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)的0.8倍補(bǔ)貼；
2、燃料電池汽車和新能源公交車補(bǔ)貼政策另行公布；
3、地方補(bǔ)貼需支持加氫基礎(chǔ)設(shè)施“短板”建設(shè)和配套運營服務(wù)；
4、延續(xù)2018年預(yù)撥資金政策，從2019年開始有運營里程要求的車輛完成銷售上牌后即預(yù)撥一部分補(bǔ)貼資金。
而且最近工信部正聯(lián)合其他部委，醞釀研究針對燃料電池的新補(bǔ)貼政策。據(jù)了解，相關(guān)補(bǔ)貼思路并不是像之前那樣補(bǔ)到整車廠，而是考慮補(bǔ)貼生產(chǎn)核心部件的廠家。
從以上可以看出，純電動的補(bǔ)貼在逐步下滑，燃料電池方面補(bǔ)貼力度仍然較大，而且從最近政策動態(tài)看，國家非常重視燃料電池汽車的發(fā)展將使其逐步走向正規(guī)。
資源約束
對于鋰電池而言，資源來源主要是鋰礦石，鋰的全球儲量是1400萬噸， 2017年以電動車為主的鋰消耗量約23萬噸。
隨著全世界新能源純電動汽車的快速發(fā)展，假設(shè)2020年全球新能源汽車銷量達(dá)到500萬輛，全球鋰資源折合為碳酸鋰當(dāng)量其需求將達(dá)到46.6萬噸。
隨著鋰資源的緊缺，其價格也將水漲船高，也將是制約電動汽車發(fā)展的隱性因素，因此未來鋰資源量很難支撐電動汽車的快速發(fā)展。
燃料電池在資源方面的約束主要是鉑金。鉑金被廣泛應(yīng)用于汽車、工業(yè)、首飾及投資領(lǐng)域。
數(shù)據(jù)統(tǒng)計，鉑金在汽車催化劑領(lǐng)域的應(yīng)用比例最高，占到總需求的37~41%，是鉑金第一大消耗應(yīng)用。
燃料電池的催化劑要用到貴金屬鉑，市場普遍擔(dān)心其資源約束。
目前每輛氫燃料電池汽車鉑的使用量為20克~30克，豐田Mirai單車鉑消耗量約為20g，隨著技術(shù)的進(jìn)步，鉑金作為燃料電池催化劑用量近些年在不斷下降。
豐田計劃在未來將鉑單耗降低75%，并實現(xiàn)催化劑的鉑回收。因此未來鉑金對于燃料電池的發(fā)展不會產(chǎn)生阻礙。
環(huán)境保護(hù)
鋰電池的原料為電力，目前我國電力結(jié)構(gòu)中仍然以煤電為主，煤電近些年通過改造在污染排放方面取得了非常大的進(jìn)步，但仍無法做到零排放、零污染，因此鋰電池的使用從一定程度上來講是有一定的污染性的。
燃料電池的原料為氫氣，氫氣的制取路線眾多，隨著未來燃料電池汽車的發(fā)展，我國又是可再生能源第一大國，未來氫氣將基本由可能生能源來制取，因此可以說是真正的零污染、零排放。
商業(yè)化程度
鋰電池在我國以及全世界范圍內(nèi)的應(yīng)用非常成熟。在車用方面，電動車從2013~2015年是從0到1的過程，從2016~2018年實現(xiàn)了從1到10，電動汽車銷量不斷攀升，目前產(chǎn)業(yè)鏈非常成熟，已經(jīng)完全的實現(xiàn)了商業(yè)化。
燃料電池目前無論是車用還是其他應(yīng)用方面均不是非常成熟，燃料電池作為車用是我國以及全世界首要的應(yīng)用方向。
2018年全年我國燃料電池汽車產(chǎn)銷僅完成1527輛，但是2019年1-6月份，燃料電池汽車產(chǎn)銷分別完成1170輛和1102輛，比上年同期分別增長7.2倍和7.8倍，發(fā)展非常迅速。
但是由于燃料電池本身存在成本較高、基礎(chǔ)設(shè)施不完善等因素，燃料電池應(yīng)用最成熟的日本也未能實現(xiàn)完全的商業(yè)化，我國更是處于商業(yè)化的初期。
