BEV 與 FCEV：競爭技術還是互補技術？

BEV 和 FCEV 都是兩種“清潔”汽車技術，能夠減少溫室氣體的排放。在本文中，我們將了解這兩種技術如何不被視為對立的，而是如何互補，在運輸部門的逐步脫碳中共同合作。

道路運輸?shù)闹鸩矫撎己驼疁p少二氧化碳排放的指令正迫使汽車制造商增加對環(huán)境影響較小的車輛的供應，即低排放甚至零排放。

在這種情況下，最熱門的話題之一是電池電動汽車 (BEV) 和燃料電池電動汽車 (FCEV) 之間的比較，目的是展示這兩種技術中哪一種能提供最佳結(jié)果。與所有電動汽車一樣，F(xiàn)CEV 使用電力為電動機提供動力。如圖 1所示，不同之處在于 FCEV 使用燃料電池發(fā)電，而不是直接從電池中獲取電力。因為電力是通過車載氫氣和空氣中存在的氧氣之間的化學反應產(chǎn)生的，所以唯一的廢氣排放物是水蒸氣。

關于 BEV 和 FCEV 之間哪種技術更清潔或產(chǎn)生的污染排放量最少的爭論仍然懸而未決。為了比較兩種技術解決方案，首先需要評估從生產(chǎn)到最終使用的整個能源生命周期中產(chǎn)生的排放。BEV 和 FCEV 與它們使用的電力或氫氣源一樣清潔。其優(yōu)點是電力和氫氣都可以從可再生能源（如太陽能或風能）中獲得，氫氣可以在加氫站就地直接生產(chǎn)。

燃料電池原理
燃料電池基本上由陽極、陰極和電解質(zhì)組成。然后將幾個基本單元（幾百個）連接在一起，以達到特定應用所需的電壓。盡管工作原理保持不變，但燃料電池有多種類型，它們在所使用的電解質(zhì)類型上有所不同。汽車領域最常用的燃料電池類型是聚合物電解質(zhì)膜燃料電池 (PEMFC)，如圖 2所示。

圖 2：PEMFC 的工作原理（圖片：維基百科）

聚合物膜呈酸性，輸送的離子為氫離子或質(zhì)子。電池以純氫為燃料，氧化劑為空氣或純氧。PEMFC 的工作溫度接近 80°C，效率和功率密度非常高，是汽車應用的理想選擇。PEMFC 的一個有趣之處在于它們的運營成本低，因為膜（實際上是一種去離子過濾器）不是昂貴的部件，每 30,000 英里只需更換一次。通過將 PEMFC 與可充電電池配對，我們可以制造出一種混合動力汽車，汽車制造商可以對其進行配置，使其與電動機或汽油發(fā)動機無差別地運行。燃料電池與內(nèi)燃機 (ICE) 有直接的類比。ICE 將儲存在燃料中的化學能轉(zhuǎn)化為旋轉(zhuǎn)機械能。后者直接用于移動車輛或通過交流發(fā)電機轉(zhuǎn)換為電能。燃料電池的作用方式非常相似，通過化學過程發(fā)電，但不會產(chǎn)生污染排放。在不久的將來，F(xiàn)CEV 有望以與 BEV 互補的方式運行，促進使用氫作為化石燃料的替代品。

FCEV 和 BEV 比較
基于電池和燃料電池的電動汽車可以根據(jù)一些關鍵因素進行比較：

能量密度（每單位質(zhì)量的能量）。氫氣具有令人印象深刻的 40,000 Wh/kg 的比能量，而最先進的鋰離子電池的比能量約為 250 Wh/kg。該系列的頂級產(chǎn)品是 Tesla S，它使用鎳、鈷和鋁 (NCA) 電池，能夠提供 248 Wh/kg 的功率密度。這意味著氫氣每公斤可提供數(shù)百倍的能量，從而使車輛能夠在不增加太多重量的情況下擴大其續(xù)航里程。

加油和充電時間。一輛 FCEV 可以在不到五分鐘的時間內(nèi)輕松地充滿燃料，而正常充電的 BEV 有時需要幾個小時，或者使用超快速充電（如果可用）幾乎需要一小時。此外，燃料電池汽車一次加注即可提供更長的續(xù)航里程，是遠程車輛的理想解決方案。相比之下，F(xiàn)CEV 不能像 BEV 那樣在家中加油。然而，世界上大多數(shù)國家都計劃增加加氫站的數(shù)量，在幾年內(nèi)達到其全國覆蓋范圍。

操作周期。如今，幾乎所有電動汽車電池的保修期至少為 8 年或 100,000 英里，這是第一位的。汽車鋰離子電池的壽命嚴格取決于充電/放電循環(huán)次數(shù)以及熱管理系統(tǒng)和電池緩沖器提供的保護（防止電池完全放電或充電，這是一種有害條件）對于這種電池）。相反，燃料電池堆的估計壽命約為 5,000 小時，相當于行駛 150,000 英里。短距離行駛會給膜帶來嚴重的壓力，膜會反復潤濕和干燥。連續(xù)運行，燃料電池堆可能能夠無故障運行 40,000 小時。

整體效率。根據(jù)美國能源部 (DOE) 的研究，F(xiàn)CEV 在 25% 額定功率下的整體效率約為 57%，計算效率約為 60%。如圖 3所示，DOE 2020 目標用星號表示，對應于 65% 的整體效率。盡管取得了良好進展，實際值與計算值之間的差距縮小，但 FCEV 制造商仍需進行改進以實現(xiàn)效率目標。

圖 3：燃料電池效率與額定功率的關系（圖片：美國能源部）

隨著車輛設計范圍的增加，BEV 迅速變重，效率降低。因此，我們可以說 BEV 對于短距離旅行非常有效，但對于長距離旅行則不然。不同類型車輛的能效與設計范圍之間的關系如圖 4所示。在短距離內(nèi)，BEV 達到了最高的效率水平。然而，隨著續(xù)航里程的增加，內(nèi)燃機汽車和 FCEV 變得更加高效。在長距離上，F(xiàn)CEV 提供了最大的效率。

圖 4：能效與設計范圍

旨在為 BEV 和 FCEV 車輛充電的基礎設施的智能和組合使用使我們能夠利用這兩種技術提供的綜合優(yōu)勢。例如，電動汽車夜間充電的簡單性和成本效益可以與用于長距離 FCEV 車輛的加氫站相結(jié)合。提供兩種基礎設施推出的綜合戰(zhàn)略可以最大限度地提高能源效率，優(yōu)化可再生能源的使用并減少二氧化碳排放。氫氣的優(yōu)勢在于，加氫站可以使用可再生能源直接在現(xiàn)場生產(chǎn)，無需連接到更廣泛的加氫網(wǎng)絡或電網(wǎng)?；蛘?，

結(jié)論
BEV 可降低消耗并提高能源效率，前提是它們的總重量不太高（重量取決于安裝的電池數(shù)量和容量）。因此，在短距離內(nèi)運行的輕型 BEV 可以獲得最大的效率。FCEV 車輛能夠相對于其重量存儲更多能量，并且可以更快地執(zhí)行燃料電池的再填充。因此，F(xiàn)CEV 對于長途旅行和需要最少停機時間的應用（卡車、運輸巴士或工業(yè)車輛）非常有效。未來的出行將越來越豐富基于共享交通工具的解決方案，未來電池電動汽車和燃料電池電動汽車將發(fā)揮互補而非對立的作用。

審核編輯 黃昊宇