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的整體能量則取決于油箱也就是儲氫系統所儲存的氫氣質量（氧氣來自于空氣）。就目前的技術水平而言，國際上幾大汽車公司（Toyota，GM，Honda，Nissan，Daimler-Benz）開發的車載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，這個功率指標已經很接近汽油機。

使用宇部興出現產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的能量密度超過350Wh/Kg，續航里程達到了空前的650公里水平（Toyota官網數據）。相比之下，TeslaModelS的鋰電動力鋰電池系統的能量密度僅為156Wh/Kg，其理論續航里程為480Km，但這是以較大程度犧牲有效載荷為代價取得的（其電池系統占整車重量的26%，遠高于普通轎車動力系統的16%）。

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

我們再次看到，開發更高儲氫率的新型儲氫材料的戰略意義（不僅關于燃料動力電池，同樣也是關于鎳氫電池和其它與儲氫有關的領域）。過去數十年，國際上新型儲氫材料的研究并沒有取得突破性進展，至于之前我國學術界非常熱門的碳納米管（CNT）儲氫和金屬有機框架（MOF）儲氫，則受到國際學術界的廣泛質疑。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電源體系目前還都處于基礎研究階段，產業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量來保證續航里程，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發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，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，電堆只是電化學反應場所而已，系統的能量密度重要取決于儲氫系統的儲氫量。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，這個優點恰恰是任何一種二次電池都不具備的。站在電化學器件的角度，相較于二次電池，燃料動力電池是化學電源的一個更高的發展層次。