燃料动力电池的能量密度的决定性因素有什么？

燃料动力电池能量密度的决定性因素

相比于锂离子电池而言，燃料动力电池的能量密度并不取决于燃料动力电池电堆本身，而取决于其携带的氢气量。简单地说，燃料动力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，而燃料动力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。

使用宇部兴出现产的超高压碳纤维增强尼龙储氢瓶可以储存5Kg氢气，整个燃料动力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的锂电动力锂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%）。

关于一个功率一定的燃料动力电池系统，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，在不新增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（不仅关于燃料动力电池，同样也是关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，至于之前我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。

比较锂离子动力锂电池和燃料动力电池，我们可以看到，锂离子动力锂电池能量密度进一步提升的空间非常有限。假如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新增并不遵循摩尔定律。能量密度更高的新型化学电源体系目前还都处于基础研究阶段，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新增储氢罐数量来保证续航里程，可操作性也相比较较容易。

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差别？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。

而燃料动力电池则是一个开放式系统，电堆只是电化学反应场所而已，系统的能量密度重要取决于储氢系统的储氢量。正因为是个开放体系，燃料动力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，燃料动力电池是化学电源的一个更高的发展层次。