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新能源汽车动力源探讨: 锂离子电池VS燃料电池(一)

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  汽车是近些年在国内发展起来的新兴产业,2009年元月科技部、财政部、发改委、工信部联合启动了“十城千辆节能与新能源汽车示范推广应用工程”,标志着新能源汽车产业正式上升为国家战略。2012年,国务院出台了《节能与新能源汽车产业发展规划(2012-2020)》,规划对节能车、新能源车进行了定义,并确定了实现的路径与目标。该规划明确了我国新能源汽车的发展将以锂离子电池纯电动汽车(LIB-EV)为主要方向。最近几年,锂离子电池纯电动汽车在我国已经成为新能源汽车的主流路线,当前我国的纯电动汽车绝大多数采用的是磷酸铁锂动力电池。

  而作为全球电动汽车研发和产业化领头羊的日本,在电动汽车技术路线上与我国并不一致。2014年12月,全球第一大汽车公司丰田汽车(Toyota)正式推出了全球首款量产型燃料电池电动汽车Mirai,这款车在日本的售价为723.6万日元(折合人民币38.3万元,补贴售价为27.5万元)。紧跟其后,本田汽车(Honda)也在2015年下半年发布了其即将在2016年量产的新一代燃料电池汽车FCVClarity。其实早在2014年5月,日本经济产业省就发布了《氢燃料电池车普及促进策略》,从而制定了日本国内氢燃料电池车行业标准。在此之后,日本政府在《实现氢社会政策建言》的议案中,提出了具体的氢燃料电池车普及目标及政策支持方案。此外,日本日产(Nissan)、韩国现代汽车(Hyundai)、美国通用汽车(GM)、德国宝马(BMW)和大众(VW)也都在2014/15年相继发布了各自的燃料电池电动汽车的产业化规划。

  我们可以看到,中国与日本(实际上也包括韩国和欧美主流车企)在纯电动汽车发展方向上选择了不同的技术路线。去年年底Mirai燃料电池电动汽车量产的消息,在国内电动汽车界引发了激烈的讨论并且形成了两种观点,一种观点认为日本汽车界在纯电动汽车上走燃料电池路线是错误(路线错误论),例子就是当前国际上火热的美国Tesla纯电动汽车。而另一种观点则认为,日本发展燃料电池汽车更多的是为了其军工产业服务,并且误导中国电动汽车发展方向(阴谋论)。

  这些不同观点暂且放下,面对Mirai燃料电池汽车小批量商业化生产的现实,我们当下首先需要认真思考的是为什么中国和日本在发展纯电动汽车方面选择了不同的技术路线?或者说锂离子电池和燃料电池到底哪种动力系统更加合适纯电动汽车?不管是锂离子电池(Li-ionbattery,LIB)还是质子交换膜燃料电池(ProtonExchangeMembraneFuelCell,PEMFC),都是非常专业高深的高科技领域,涉及到多学科的综合。笔者对这两种化学电源体系都有相当的了解,本文中笔者将抛开深奥的电化学、固体化学以及电催化方面的科学原理,站在宏观的角度深入浅出地从多个方面对这两种化学电源体系进行分析比较,希望能够在纯电动汽车动力源的问题上给广大读者提供一些不同的视野和角度。

  对这两种动力系统进行比较分析之前,我们首先要认识LIB和PEMFC最本质的特征,这样才能认识这两种化学电源各自的适用领域。从根本上而言,二次电池是一种能量存储装置,通过可逆的电化学反应实现电能的存储和释放。衡量二次电池存储电能能力的基本指标是能量密度(Wh/Kg或者Wh/L)。而燃料电池则是一种电能生产装置,它通过电催化反应将燃料中的化学能转换成电能释放出来。虽然燃料电池也叫“电池”(中文翻译的原因),但是它的基本工作方式却与内燃机比较相似,跟常规二次电池有着本质上的区别。衡量燃料电池电能生产能力的基本指标是功率密度(W/Kg或者W/L)。这两种电化学电源体系工作方式上的本质不同,将直接决定它们在应用层面上的不同定位,笔者在后面将会详细讨论。

  1.锂离子电池和燃料电池的研究与发展历程

  在比较分析锂离子电池(LIB)和质子交换膜燃料电池(PEMFC)在纯电动汽车领域的应用前景之前,我们有必要简单回顾一下两者的发展历程,这样读者就可以对两者有更加直观的认识。如果我们仔细分析过去20年里,欧盟(EU)和美国能源部(DOE)在锂电和燃料电池领域基础研究和产业政策方面的变化,就可以很清楚地看到,锂电和燃料电池其实是一对不折不扣的“欢喜冤家”。

  其实在十九世纪末期,汽车最早就是从电池车发展起来的,铅酸电池车的产量在二十世纪初期达到了顶峰。但是,随着1908年福特创新性地采用流水线批量生产T型车(大幅降低成本),以及1912年汽油车电打火启动的出现(使用更加便捷),则对铅酸电池车造成了致命打击,电动车从此退出了历史舞台。直到上世纪末由于高能化学电源(二次电池和燃料电池)的技术进步,电动汽车才再度引起重视。

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