電池電動(dòng)車與燃料電池電動(dòng)車有什么聯(lián)系

　　電池電動(dòng)車（BEV，Battery Electric Vehicles）與燃料電池電動(dòng)車（FCEV，F(xiàn)uel-cell Electric Vehicles）是兩種 “清潔”能源車輛技術(shù)，都能夠減少溫室氣體的排放。本文將論述為何這兩種車輛技術(shù)是互補(bǔ)的，而不是對(duì)立的，并討論它們?cè)谶\(yùn)輸行業(yè)逐步脫碳進(jìn)程中的相互協(xié)作關(guān)系。

　　道路運(yùn)輸逐步脫碳和政府減少二氧化碳排放的法規(guī)要求正迫使汽車制造商加大新能源車輛（即低排放甚至零排放）的研發(fā)和推廣力度，以減少對(duì)環(huán)境的負(fù)面影響。

　　在這種大環(huán)境下，電池電動(dòng)車（BEV）與燃料電池電動(dòng)車（FCEV）之間的比較成了一個(gè)熱門(mén)話題，人們熱衷于對(duì)比兩種技術(shù)中哪一種更好。與所有電動(dòng)車一樣，F(xiàn)CEV也使用電能為電動(dòng)機(jī)提供動(dòng)力，區(qū)別在于FCEV使用燃料電池發(fā)電，而不是直接從電池中獲取電能，如圖1所示。由于電力是通過(guò)車載氫與空氣中氧之間的化學(xué)反應(yīng)而產(chǎn)生的，所以唯一排放的廢氣是水蒸氣。

　　圖1：氫燃料電池驅(qū)動(dòng)車輛（圖片：美國(guó)能源部）

　　對(duì)比BEV和FCEV，究竟哪種技術(shù)更清潔或產(chǎn)生的污染排放最少？目前并無(wú)定論。要比較這兩種技術(shù)解決方案，首先必須評(píng)估整個(gè)能源生命周期（即從生產(chǎn)到報(bào)廢）中產(chǎn)生的排放到底有多少。從它們所使用的能源（電能和氫氣）來(lái)看，BEV和FCEV都是清潔的。它們的優(yōu)勢(shì)在于，電能和氫氣都可以從可再生能源（例如太陽(yáng)能或風(fēng)能）中獲得，而氫氣也可以在加氫站現(xiàn)場(chǎng)直接生產(chǎn)。

　　燃料電池的原理

　　燃料電池單元主要由陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)組成。將一些基本電池單元（幾百個(gè)）連接在一起，以達(dá)到特定應(yīng)用所需的電壓。盡管工作原理相同，但根據(jù)所使用的電解質(zhì)類型不同，燃料電池的種類也花樣繁多。汽車業(yè)最常用的燃料電池是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC），如圖2所示。

　　圖2：PEMFC的工作原理（圖片：Wikipedia）

　　聚合物膜是酸性的，被輸送的離子是氫離子或質(zhì)子。這種電池以純氫為燃料，空氣或純氧為氧化劑。PEMFC的工作溫度接近80°C，具有極高的效率和功率密度，因此非常適用于汽車應(yīng)用。更有意思的是，PEMFC的運(yùn)行成本也較低，因?yàn)榫酆衔锬ぃ▽?shí)際上是一個(gè)去離子過(guò)濾器）并不昂貴，僅需每30，000英里更換一次即可。只要將PEMFC與可充電電池配對(duì)，就可以設(shè)計(jì)出混合動(dòng)力車。通過(guò)適當(dāng)配置，汽車制造商可以使之與電動(dòng)機(jī)或汽油發(fā)動(dòng)機(jī)汽車一樣運(yùn)行。燃料電池類似于內(nèi)燃機(jī)（ICE），ICE將儲(chǔ)存在燃料中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機(jī)械能，再由機(jī)械能直接使車輛移動(dòng)，或通過(guò)交流發(fā)電機(jī)轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池的轉(zhuǎn)換非常相似，它通過(guò)化學(xué)過(guò)程發(fā)電，但這個(gè)過(guò)程不會(huì)產(chǎn)生污染排放。在不久的將來(lái)，F(xiàn)CEV將會(huì)與BEV以互補(bǔ)的方式運(yùn)行，促進(jìn)氫燃料替代石油燃料。

　　FCEV與BEV的比較

　　我們通過(guò)一些關(guān)鍵因素來(lái)比較電池電動(dòng)車和燃料電池電動(dòng)車：

　　●能量密度（單位質(zhì)量的能量）。氫氣40，000 Wh/kg的能量密度非常亮眼，而最先進(jìn)的鋰離子電池能量密度約為250 Wh/kg。最高級(jí)別的電動(dòng)車Tesla S使用鎳、鈷和鋁（NCA）電池，能夠提供248 Wh/kg的能量密度。這意味著氫氣每千克可提供數(shù)百倍的能量，從而使車輛在不增加重量的情況下延長(zhǎng)續(xù)航里程。

　　●加燃料和充電時(shí)間。FCEV可以在不到五分鐘的時(shí)間內(nèi)輕松加滿；相比之下，BEV正常充電有時(shí)需要幾個(gè)小時(shí)，而超快速充電（如果有這個(gè)功能的話）則需近一小時(shí)。此外，燃料電池車單次加滿提供的行駛里程更長(zhǎng)，是長(zhǎng)途車輛的理想解決方案。但是，F(xiàn)CEV不能像BEV那樣在家中添加燃料。不過(guò)，世界上很多國(guó)家都有計(jì)劃增加加氫站的數(shù)量，并在幾年之內(nèi)覆蓋全國(guó)范圍。

　　●運(yùn)行周期?，F(xiàn)在，幾乎所有的電動(dòng)車電池都能保證至少八年或100，000英里的運(yùn)行，這一點(diǎn)很亮眼。車輛鋰離子電池的壽命完全取決于其充/放電的循環(huán)次數(shù)以及熱管理系統(tǒng)和電池緩沖器所提供的保護(hù)。電池緩沖器可以防止電池完全放電或過(guò)度充電，這兩種狀態(tài)都會(huì)損害鋰離子電池。而燃料電池堆的預(yù)估壽命約為5，000小時(shí)，相當(dāng)于150，000英里的行駛里程。但短途行駛會(huì)給聚合物膜帶來(lái)嚴(yán)重壓力，因?yàn)樗鼤?huì)反復(fù)潮濕和干燥。若連續(xù)運(yùn)行，燃料電池組應(yīng)可以無(wú)故障運(yùn)行40，000小時(shí)。

　　●整體效率。美國(guó)能源部（DOE）的研究顯示，額定功率25%的FCEV整體效率約為57%，計(jì)算出的理論效率約為60%。如圖3所示，美國(guó)能源部2020年的目標(biāo)以星號(hào)表示，即65%的總體效率。盡管已經(jīng)取得不小的進(jìn)步，并且實(shí)際值和計(jì)算值之間的差距也減小了，但FCEV制造商仍需要不斷改進(jìn)以實(shí)現(xiàn)效率目標(biāo)。

　　圖3： 燃料電池效率與額定功率之間的函數(shù)關(guān)系（圖片：美國(guó)能源部）

　　隨著車輛設(shè)計(jì)的行駛里程不斷加大，BEV重量迅速增加，而效率卻在降低?？梢哉f(shuō)，BEV短途行駛效率很高，但不適用于長(zhǎng)途行駛。圖4顯示了不同類型車輛的能效與設(shè)計(jì)里程之間的關(guān)系。在短途范圍內(nèi)，BEV達(dá)到最高效率水平。但隨著里程的增加，內(nèi)燃機(jī)車輛和FCEV變得更加高效。而對(duì)長(zhǎng)途行駛，F(xiàn)CEV則可提供最高效率。

　　圖4： 能效與設(shè)計(jì)里程之間的關(guān)系

　　若能將BEV和FCEV的充電/加氣基礎(chǔ)設(shè)施很好地結(jié)合起來(lái)，我們就能夠利用這兩種技術(shù)的組合優(yōu)勢(shì)。 例如，電動(dòng)車充電站具備通宵充電的簡(jiǎn)便性和成本效益，可與針對(duì)FCEV車輛長(zhǎng)途行駛的加氫站相結(jié)合。兩種基礎(chǔ)設(shè)施共同部署的組合策略可以最大程度地提高能源效率，優(yōu)化可再生能源的利用率，并減少二氧化碳排放。氫氣的優(yōu)勢(shì)在于，加氫站可以使用可再生能源直接在現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)，無(wú)需連接到更大的加油網(wǎng)絡(luò)或電網(wǎng)中。或者，也可以通過(guò)工業(yè)流程生產(chǎn)氫氣，然后將其運(yùn)輸?shù)郊託湔尽?/p>

　　結(jié)語(yǔ)

　　如果BEV總重不大（這取決于安裝的電池?cái)?shù)量和容量），則功耗會(huì)降低，可以提供較高的能效。因此，短途行駛的輕型BEV可獲得最高的效率。相同重量下，F(xiàn)CEV車輛能夠存儲(chǔ)更多的能量，燃料電池的加氣也可以迅速完成。因此，F(xiàn)CEV非常適于長(zhǎng)途行駛或要求停駛時(shí)間最少的應(yīng)用（如卡車、運(yùn)輸巴士或工業(yè)車輛）?；诟鞣N交通方式之間的資源共享，未來(lái)的交通解決方案將越來(lái)越豐富，電池電動(dòng)車和燃料電池電動(dòng)汽將是取長(zhǎng)補(bǔ)短的友軍，而不是非此即彼的敵人。