燃料動力電池能量密度的決定性因素

相比于鋰離子電池而言，燃料動力電池的能量密度并不取決于燃料動力電池電堆本身，而取決于其攜帶的氫氣量。簡單地說，燃料動力電池電堆相當于一個發(fā)動機，它決定電動汽車的功率也就是速度和加速性，而燃料動力電池系統(tǒng)的整體能量則取決于油箱也就是儲氫系統(tǒng)所儲存的氫氣質(zhì)量（氧氣來自于空氣）。就目前的技術(shù)水平而言，國際上幾大汽車公司（Toyota，GM，Honda，Nissan，Daimler-Benz）開發(fā)的車載PEMFC電堆的的體積跟普通四缸汽油機相差不大，ToyotaMirai的PEMFC電堆功率密度達到了3.1KW/L和2.0KW/Kg的水平，這個功率指標已經(jīng)很接近汽油機。

使用宇部興出現(xiàn)產(chǎn)的超高壓碳纖維增強尼龍儲氫瓶可以儲存5Kg氫氣，整個燃料動力電池系統(tǒng)的能量密度超過350Wh/Kg，續(xù)航里程達到了空前的650公里水平（Toyota官網(wǎng)數(shù)據(jù)）。相比之下，TeslaModelS的鋰電動力鋰電池系統(tǒng)的能量密度僅為156Wh/Kg，其理論續(xù)航里程為480Km，但這是以較大程度犧牲有效載荷為代價取得的（其電池系統(tǒng)占整車重量的26%，遠高于普通轎車動力系統(tǒng)的16%）。

關(guān)于一個功率一定的燃料動力電池系統(tǒng)，其能量密度實際上是由儲氫系統(tǒng)的儲氫質(zhì)量/體積百分比決定的。因此，在不新增系統(tǒng)重量或者體積的前提下，進一步提高FC-EV的續(xù)航里程就必須采用更高效率的儲氫系統(tǒng)。就目前代表國際最高技術(shù)水平的宇部興產(chǎn)高壓儲氫瓶而言，700bar（5.7wt%的儲氫量）幾乎已經(jīng)到了其實際使用的極限。

我們再次看到，開發(fā)更高儲氫率的新型儲氫材料的戰(zhàn)略意義（不僅關(guān)于燃料動力電池，同樣也是關(guān)于鎳氫電池和其它與儲氫有關(guān)的領(lǐng)域）。過去數(shù)十年，國際上新型儲氫材料的研究并沒有取得突破性進展，至于之前我國學(xué)術(shù)界非常熱門的碳納米管（CNT）儲氫和金屬有機框架（MOF）儲氫，則受到國際學(xué)術(shù)界的廣泛質(zhì)疑。因此，新型儲氫材料的研究任重而道遠。

比較鋰離子動力鋰電池和燃料動力電池，我們可以看到，鋰離子動力鋰電池能量密度進一步提升的空間非常有限。假如從最基本電化學(xué)原理的角度思考，這個問題并不難理解，二次電池的能量密度新增并不遵循摩爾定律。能量密度更高的新型化學(xué)電源體系目前還都處于基礎(chǔ)研究階段，產(chǎn)業(yè)化前景依然很不明朗。相對而言，PEMFC的能量密度問題并不是很突出，即便是通過最簡單的新增儲氫罐數(shù)量來保證續(xù)航里程，可操作性也相比較較容易。

我們也可以從另外一個角度進行思考，二次電池必須向全密封系統(tǒng)發(fā)展而力求做到免維護（對鋰電而言則是絕對必須），而正是因為二次電池是個密封系統(tǒng)，才決定了它的能量密度不可能很高。否則的話，一個密閉的高能體系在本質(zhì)上跟炸彈有何差別？從最基本的能量守恒定律就講不通！那么從這個角度就很容易理解，鋰離子電池（實際上也包含所有二次電池體系）的能量密度提升空間將是很有限的。

而燃料動力電池則是一個開放式系統(tǒng)，電堆只是電化學(xué)反應(yīng)場所而已，系統(tǒng)的能量密度重要取決于儲氫系統(tǒng)的儲氫量。正因為是個開放體系，燃料動力電池在能量密度上提高的潛力更大，并且先天具有更好的安全性，這個優(yōu)點恰恰是任何一種二次電池都不具備的。站在電化學(xué)器件的角度，相較于二次電池，燃料動力電池是化學(xué)電源的一個更高的發(fā)展層次。