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燃料电池能量密度的决定性因素

作者:中国储能网新闻中心 来源:动力电池网 发布时间:2016-04-08 浏览:
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中国储能网讯:相比于锂离子电池而言,燃料电池的能量密度并不取决于燃料电池电堆本身,而取决于其携带的氢气重量。简单地说,燃料电池电堆相当于一个发动机,它决定电动汽车的功率也就是速度和加速性,而燃料电池系统的整体能量则取决于“油箱”也就是储氢系统所储存的氢气质量(氧气来自于空气)。

就目前的技术水平而言,国际上几大汽车公司(Toyota,GM,Honda,Nissan,Daimler-Benz)开发的车载PEMFC电堆的的体积跟普通四缸汽油机相差不大,ToyotaMirai的PEMFC电堆功率密度达到了3.1KW/L和2.0KW/Kg的水平,这个功率指标已经很接近汽油机。使用宇部兴产生产的超高压碳纤维增强尼龙储氢瓶可以储存5Kg氢气,整个燃料电池系统的能量密度超过350Wh/Kg,续航里程达到了空前的650公里水平(Toyota官网数据)。相比之下,TeslaModelS的锂电动力电池系统的能量密度仅为156Wh/Kg,其理论续航里程为480Km,但这是以较大程度牺牲有效载荷为代价取得的(其电池系统占整车重量的26%,远高于普通轿车动力系统的16%)。

对于一个功率一定的燃料电池系统,其能量密度实际上是由储氢系统的储氢质量/体积百分比决定的。因此,在不增加系统重量或者体积的前提下,进一步提高FC-EV的续航里程就必须采用更高效率的储氢系统。就目前代表国际最高技术水平的宇部兴产高压储氢瓶而言,700bar(5.7wt%的储氢量)几乎已经到了其实际使用的极限。我们再次看到,开发更高储氢率的新型储氢材料的战略意义(不仅对于燃料电池,同样也是对于镍氢电池和其它与储氢有关的领域)。过去数十年,国际上新型储氢材料的研究并没有取得突破性进展,至于之前中国学术界非常热门的碳纳米管(CNT)储氢和金属有机框架(MOF)储氢,则受到国际学术界的广泛质疑。因此,新型储氢材料的研究任重而道远。

对比锂离子动力电池和燃料电池,我们可以看到,锂离子动力电池能量密度进一步提升的空间非常有限。如果从最基本电化学原理的角度思考,这个问题并不难理解,二次电池的能量密度增加并不遵循摩尔定律。能量密度更高的新型化学电源体系目前还都出于基础研究阶段,产业化前景依然很不明朗。相对而言,PEMFC的能量密度问题并不是很突出,即便是通过最简单的增加储氢罐数量来保证续航里程,可操作性也相对比较容易。

我们也可以从另外一个角度进行思考,二次电池必须向全密封系统发展而力求做到免维护(对锂电而言则是绝对必须),而正是因为二次电池是个密封系统,才决定了它的能量密度不可能很高。否则的话,一个密闭的高能体系在本质上跟炸弹有何区别?从最基本的能量守恒定律就讲不通!那么从这个角度就很容易理解,锂离子电池(实际上也包含所有二次电池体系)的能量密度提升空间将是很有限的。而燃料电池则是一个开放式系统,电堆只是电化学反应场所而已,系统的能量密度主要取决于储氢系统的储存量。正因为是个开放体系,燃料电池在能量密度上提高的潜力更大,并且先天具有更好的安全性,这个优点恰恰是任何一种二次电池都不具备的。站在电化学器件的角度,相较于二次电池,燃料电池是化学电源的一个更高的发展层次。

关键字:燃料电池

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