鉅大LARGE | 點擊量：771次 | 2021年08月26日
燃料動力鋰電池并非是最終選擇
燃料動力鋰電池被認為是一種能夠使用于交通運輸?shù)南冗M能源。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛以及新能源車輛相比，燃料動力鋰電池由于筆直將燃料中的自由能轉(zhuǎn)換為電能，而不經(jīng)歷燃燒過程，具有高能量效率和排放很低的優(yōu)勢。但是，燃料動力鋰電池也具有一些先天性的缺點，例如，因燃料動力鋰電池系統(tǒng)的低功率密度，導致體積龐大且沉重的電源設備，較長的啟動時間和緩慢的功率應和。此外，在某些特殊工況，比如在牽引使用中，急劇加速狀態(tài)下極大的功率輸出，以及低速駕駛情況下極低的功率輸出都會導致其低效率。同時，最難以沖破的問題就是氫氣的儲存方式以及成本問題。這些問題都妨礙燃料動力鋰電池成為將來新能源車輛的最佳處理辦法。
不能儲電而是一個發(fā)電廠
燃料動力鋰電池究竟有什么，有何特點?燃料動力鋰電池是不是真如奔馳所言能夠替代其他新能源辦法，成為新能源車輛的最終處理辦法?
燃料動力鋰電池(FuelCell)是一種將存在于燃料與氧化劑中的化學能筆直轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。燃料和空氣分別送進燃料動力鋰電池，電就被奇特地加工出來。它從外表上看有正負極和電解質(zhì)等，像一個蓄電池，但實質(zhì)上它不能儲電而是一個發(fā)電廠。
早在1839年，被譽為燃料動力鋰電池之父的SirWilliamGrove已經(jīng)發(fā)現(xiàn)通過反向的水的電解即可出現(xiàn)電。但是直到1889年，才誕生了第一個利用空氣和煤氣的實用燃料動力鋰電池。可以說燃料動力鋰電池是一種原電池，借助于電化學過程，其內(nèi)部燃料的化學能筆直轉(zhuǎn)換為電能。雖然燃料動力鋰電池叫電池，但不是通常意義中的電池，準確的說，燃料動力鋰電池是一座小型發(fā)電站，能夠在其內(nèi)部通過化學方式出現(xiàn)電能。其工作原理如圖1所示，燃料和氧化劑繼續(xù)且獨立地供給電池的兩個電極，并在電極處進行反應，離子通過電解液從一個電極傳導至另一個電極。當燃料供給給陽極時，在該電極處，依賴催化劑，電子從燃料中釋放。隨后，在兩電極間電位差用途下，電子經(jīng)外電路流向陰極或負極，在陰極處，正離子和氧氣結(jié)合，出現(xiàn)反應物或廢氣。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動力鋰電池要怎么樣工作?
實際上，燃料動力鋰電池要輔助設備支持才能維持穩(wěn)定運行。輔助設備緊要包括空氣循環(huán)泵、冷卻水循環(huán)泵、排氣扇、燃料供應泵和電控設備，如圖2所示。輔助設備之中，空氣循環(huán)泵的能量消耗最大，其消耗功率(含其驅(qū)動電機)約莫可占燃料動力鋰電池總輸出功率的10%，其他輔助設備消耗的能力比空氣循環(huán)泵消耗的能量要小的多?？梢姡剂蟿恿︿囯姵匾踩缤瑑?nèi)燃機相同，其輔助設備也消耗了部分其自身出現(xiàn)的能量。這也使得燃料動力鋰電池不可能擁有人們想象的近乎于100%的高效率。
燃料動力鋰電池的種類
可以依據(jù)燃料動力鋰電池電解質(zhì)的類型，將其分類為六種緊要的燃料動力鋰電池：質(zhì)子交換膜(pEM)或聚合物交換膜燃料動力鋰電池(pEMFCs)、堿性染料電池(AFCs)、磷酸燃料動力鋰電池(pAFCs)、熔融碳酸鹽燃料動力鋰電池(MCFCs)、固態(tài)氧化物燃料動力鋰電池(SOFCs)和筆直甲醇燃料動力鋰電池(DMFCs)。各類燃料動力鋰電池的效率、工作溫度以及使用范疇如表1所示。
今朝主流的燃料動力鋰電池研究緊要是對質(zhì)子交換膜燃料的電池的研究，相比起其他燃料動力鋰電池，質(zhì)子交換膜具有以下優(yōu)勢：可低溫運行，運行溫度為60-100°C;在所有燃料動力鋰電池類型中，質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池功率密度最高，則為滿足功率需求所需安裝的燃料動力鋰電池的體積越小;質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池采用固態(tài)電解質(zhì)，其電解質(zhì)不變化、遷移或從燃料動力鋰電池中氣化;在質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池中，因唯一的液體是水，故限定了任何腐蝕的可能性。
技術壁壘讓燃料動力鋰電池不夠完美
氫儲存的問題
將燃料動力鋰電池使用于新能源車輛上，其最緊要的難題是將燃料供應給車載燃料動力鋰電池。眾所周知，氫是使用于燃料動力鋰電池車的理想燃料。因此，制氫極其儲存是車載中的緊要的關注點。通常，有兩種途徑向燃料動力鋰電池供應燃料：一是在地面供應站加工氫氣，而在車上儲存純氫;另一種是在車上，從易于含氫的承載裝置中加工氫，并筆直供給燃料動力鋰電池。相有關在車上制氫，在車上儲存氫是現(xiàn)階段較為普遍的辦法。但是，由于氫氣本身的性質(zhì)，在技術上還存在許多要沖破的難點。在車上儲存氫，有三種方式：1.在環(huán)境溫度下，在貯存器內(nèi)儲存壓縮氫;2.在低溫下，低溫液態(tài)方式儲存;3.金屬氰化物的儲存辦法。其中第1、2種為較為普遍的辦法，但各自也存在許多缺點。同時，由于篇幅所限，只在此討論第1和第2種辦法。
首先是壓縮氫這種方式，純氫采用加壓狀態(tài)下儲存在罐內(nèi)。依據(jù)資料，約20%的氫能量被消耗在將氫壓縮至高壓的過程之中，倘若計算壓縮機和電機的低效率后，估算約25%的氫能量被消耗。而且，由于采用高壓的儲存狀態(tài)，貯氣罐由于要承受幾百標準大氣壓的壓力而要有很高的強度。為了使得罐的重量盡可能地輕，同時容積合理，就要采用復合材料，如碳纖維材料，但是，這樣的成本會十分高。同時還非得考慮車載壓縮氫的易燃性。除了因為在罐壁、密封處等開裂導致氫泄露的危險外，還存在氫穿過罐壁材料的滲透問題。這是由于含兩個氫原子的分子極小，致使其能擴散通過某些材料。此外，萬一失事，壓縮氫貯存罐是一個潛在的炸彈。就氫本身而言，其危險性甚至更大。在空氣中，氫具有從4%-77%很寬的爆炸范圍，且可以非常迅速地與空氣混合。與汽油相比，汽油爆炸范圍僅為1%-6%，且為液體。所以，至今為止，車載壓縮氫的儲存技術依然是使用于新能源車輛上的一個瓶頸。
另一種可供選擇的車載儲氫辦法是在低溫(-259.2°C)條件下使之液化。倘若想在-259.2°C這樣的低溫下貯存液體，其技術上是十分困難的。要求深度絕熱，以力求將從周圍空氣到低溫液體的熱傳遞減至最小，從而，戒備其沸騰。通常的辦法是構(gòu)造一個高度絕熱的貯罐，且使之堅固地足以承受因液氫氣化所出現(xiàn)的相當?shù)膲毫?，而過量的壓力則通過安全閥釋放至大氣中。這一貯罐的絕熱、高強度和安全設置也顯著地新增了液氫儲存的重量和成本。使用液氫儲存存在一個危險的情況：倘若車輛在一個關閉區(qū)域(車庫、地下停車場)內(nèi)停車，則存在氫在有限的大氣范圍內(nèi)集中的危險。這樣所形成的易爆混合氣體在初次出現(xiàn)火花(燈開關、打火機等)條件下將起爆。液氫貯罐的加注要特殊的防護措施：空氣非得排除在環(huán)路之外。為此，一般采用的辦法是在加注前先用氮注滿貯罐，以便排空罐中的剩余氣體。同樣，非得使用專門用來控制爆炸和低溫的設備。同時，任何低溫液體對有生命生物是一種危險的化合物，會冷凍灼傷皮膚和器官。所以采用低溫液化氫儲存的辦法也存在許多問題要處理，同時還存在一定的危險性?？梢姡蜏剀囕d儲氫也存在各種問題暫時無法處理，使得燃料動力鋰電池的使用受到了妨礙。
可見，在現(xiàn)階段和不遠的未來，不論采用哪種儲氫方式，都會存在各種各樣的問題，這也制約了燃料動力鋰電池的發(fā)展。
成本問題
由前可知，質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池是較為主流的燃料動力鋰電池辦法，同時也是最有希望供應給新能源車輛使用的。雖然質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池相比于其他燃料動力鋰電池，具有很多優(yōu)勢。但是，質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池也同樣有著制約其成為將來新能源最佳處理辦法的致命問題成本問題。例如質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池反應時所使用的催化劑，要使用昂貴的貴金屬鉑來制造，這使得其成本一直居高不下。另外，由于聚合物膜的成本也很高，使得質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池的造價很高，并且在短時間內(nèi)無法降低成本。此外，由于鉑催化劑極富活性，在某些情況下，例如吸入的空氣來自于被污染城市中的大氣時，就會發(fā)生毒化效應，而毒化效應會大大降低燃料動力鋰電池的性能，這使得空氣在進入質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池前，非得經(jīng)過解決，這又新增了質(zhì)子交換膜燃料動力鋰電池的成本。可見，成本問題也是制約燃料動力鋰電池成為將來新能源車輛最佳處理辦法的一個方面。
綜上，雖然燃料動力鋰電池具有一定的優(yōu)勢，但是從儲氫方式和成本這個兩個問題上來看，都存在著很多問題，使得燃料動力鋰電池在現(xiàn)階段以及將來無法大規(guī)模投入使用。將來，是不是會出現(xiàn)能夠處理儲氫問題的新辦法，是不是會降低燃料動力鋰電池的加工及使用成本，我們不得而知，也許到了那一天，人類已經(jīng)找到比燃料動力鋰電池更為先進、更為環(huán)保的新能源處理辦法了。
誰主將來?
純電動汽車輛?
早在第一輛現(xiàn)代汽車發(fā)明后的短短5年后，第一輛電動汽車輛也制造問世。倘若不是因為隨著內(nèi)燃機技術的發(fā)展，內(nèi)燃機汽車變得功率更大、更靈活和更易于操縱時，也許今朝大街上已滿是電動汽車。但是隨著內(nèi)燃機汽車數(shù)量的急劇增多而導致的環(huán)境惡化問題，在20世紀60年代至70年代期間，有關環(huán)境的憂慮又一次觸發(fā)了人們對電動汽車輛研究的熱情。時至今日，電動汽車輛已經(jīng)逐漸由概念轉(zhuǎn)為量產(chǎn)。各大汽車廠商也紛紛公布了自己的電動汽車輛車型以及發(fā)展計劃，這其中也包括梅賽德斯奔馳公司的純電動版本Smart。電動汽車輛具有許多勝過傳統(tǒng)內(nèi)燃機車輛以及燃料動力鋰電池車輛的優(yōu)勢，例如簡單的結(jié)構(gòu)、零排放、高效率以及靜謐、平順的運行狀態(tài)和安全放心的使用狀態(tài)。這些都使得電動汽車輛成為將來新能源車輛最佳處理辦法的強有力競爭者。
混合動力車輛?
出乎人們意料的是，混合動力車輛的歷史一點都不比內(nèi)燃機車輛以及電動汽車輛短，在1899年的巴黎美術展覽上，出現(xiàn)了兩輛分別由法國公司和比利時公司加工的混合動力車輛。但是由于電子技術發(fā)展水平的滯后，以及對電動汽車輛研究熱情的高漲，直至20世紀90年代，人們又一次對混合動力車輛出現(xiàn)了極大的興致，并在不斷的努力下，取得了豐厚的成果。豐田公司的普銳斯，就是這豐厚成果的代表作之一，全球第一款商品化的混合動力車輛，同時也是第一款商品化的符合當今含義的新能源車輛。而混合動力車輛最大的優(yōu)點就是可以利用兩個能量源一個基本能源和一個輔助能源，這就使得其同時具有這個兩個能量源的優(yōu)勢，還能克服這兩個能量源的缺點。這也使得混合動力車輛更具優(yōu)點。
因此，就目前的狀況看，將來的汽車勢必會以電能來驅(qū)動，各種新能源的處理辦法之間所不同的只是獲得電能的方式。電動汽車輛則為筆直從外部獲取電能，燃料動力鋰電池車輛及其混合動力車輛則屬于通過使用車載發(fā)電裝置來獲得電能。相比起來，電動汽車輛筆直從外部獲得電能的方式具有最高的效率。當然，在某些情況時，電動汽車輛可能滿足不了使用者對行駛里程的要求，這時，使用車載發(fā)電裝置獲得電能的車輛就很好地處理了這個問題。然而，就現(xiàn)階段技術的發(fā)展趨勢，燃料動力鋰電池技術相比起其他技術來說，有更多要沖破的難點，這也是造成其無法成為新能源車輛的最終處理辦法的原由。最終處理辦法有什么?我們不得而知，也許在未來的某一天，人類光靠使用太陽能已經(jīng)能滿足對能源的需求。
就現(xiàn)階段發(fā)展趨勢看，燃料動力鋰電池技術相比起其他技術來說，有更多要沖破的難點，這也是造成其無法成為新能源汽車最終處理辦法的原由。
編者語：
燃料動力鋰電池是一種把燃料和電池兩種概念結(jié)合在一起的裝置。它是一種電池，但不需用昂貴的金屬而只用便宜的燃料來進行化學反應就可以。這些燃料的化學能也通過一個步驟就變?yōu)殡娔?，比通常通過兩步方式的能量損失少得多。于是，可以為人類供應的電量也就大大地新增了。
不久前，科技部部長萬鋼提出，在將來五至十年，混合動力汽車將成為傳統(tǒng)汽車節(jié)能技術改造、升級換代的緊要方向，純電動汽車將成為近期發(fā)展戰(zhàn)略的主流，燃料動力鋰電池汽車會成為將來的制高點。
而本文作者恰恰持有相反的觀點，到底燃料動力鋰電池能否成為新能源汽車的終結(jié)者，這一將來的結(jié)論，對我們來說并非最為緊要。緊要的是在這個過程當中，我們對各個新能源汽車的類別有了深刻的分解和沉思，對各種能源方式有了全方位認知，這樣，無需待到將來，我們便已經(jīng)清晰地看到屬于新能源汽車的光明前景了。
