BEV 与 FCEV：竞争技术还是互补技术？

BEV 和 FCEV 都是两种“清洁”汽车技术，能够减少温室气体的排放。在本文中，我们将了解这两种技术如何不被视为对立的，而是如何互补，在运输部门的逐步脱碳中共同合作。

道路运输的逐步脱碳和政府减少二氧化碳排放的指令正迫使汽车制造商增加对环境影响较小的车辆的供应，即低排放甚至零排放。

在这种情况下，最热门的话题之一是电池电动汽车 (BEV) 和燃料电池电动汽车 (FCEV) 之间的比较，目的是展示这两种技术中哪一种能提供最佳结果。与所有电动汽车一样，FCEV 使用电力为电动机提供动力。如图 1所示，不同之处在于 FCEV 使用燃料电池发电，而不是直接从电池中获取电力。因为电力是通过车载氢气和空气中存在的氧气之间的化学反应产生的，所以唯一的废气排放物是水蒸气。

关于 BEV 和 FCEV 之间哪种技术更清洁或产生的污染排放量最少的争论仍然悬而未决。为了比较两种技术解决方案，首先需要评估从生产到最终使用的整个能源生命周期中产生的排放。BEV 和 FCEV 与它们使用的电力或氢气源一样清洁。其优点是电力和氢气都可以从可再生能源（如太阳能或风能）中获得，氢气可以在加氢站就地直接生产。

燃料电池原理
燃料电池基本上由阳极、阴极和电解质组成。然后将几个基本单元（几百个）连接在一起，以达到特定应用所需的电压。尽管工作原理保持不变，但燃料电池有多种类型，它们在所使用的电解质类型上有所不同。汽车领域最常用的燃料电池类型是聚合物电解质膜燃料电池 (PEMFC)，如图 2所示。

图 2：PEMFC 的工作原理（图片：维基百科）

聚合物膜呈酸性，输送的离子为氢离子或质子。电池以纯氢为燃料，氧化剂为空气或纯氧。PEMFC 的工作温度接近 80°C，效率和功率密度非常高，是汽车应用的理想选择。PEMFC 的一个有趣之处在于它们的运营成本低，因为膜（实际上是一种去离子过滤器）不是昂贵的部件，每 30,000 英里只需更换一次。通过将 PEMFC 与可充电电池配对，我们可以制造出一种混合动力汽车，汽车制造商可以对其进行配置，使其与电动机或汽油发动机无差别地运行。燃料电池与内燃机 (ICE) 有直接的类比。ICE 将储存在燃料中的化学能转化为旋转机械能。后者直接用于移动车辆或通过交流发电机转换为电能。燃料电池的作用方式非常相似，通过化学过程发电，但不会产生污染排放。在不久的将来，FCEV 有望以与 BEV 互补的方式运行，促进使用氢作为化石燃料的替代品。

FCEV 和 BEV 比较
基于电池和燃料电池的电动汽车可以根据一些关键因素进行比较：

能量密度（每单位质量的能量）。氢气具有令人印象深刻的 40,000 Wh/kg 的比能量，而最先进的锂离子电池的比能量约为 250 Wh/kg。该系列的顶级产品是 Tesla S，它使用镍、钴和铝 (NCA) 电池，能够提供 248 Wh/kg 的功率密度。这意味着氢气每公斤可提供数百倍的能量，从而使车辆能够在不增加太多重量的情况下扩大其续航里程。

加油和充电时间。一辆 FCEV 可以在不到五分钟的时间内轻松地充满燃料，而正常充电的 BEV 有时需要几个小时，或者使用超快速充电（如果可用）几乎需要一小时。此外，燃料电池汽车一次加注即可提供更长的续航里程，是远程车辆的理想解决方案。相比之下，FCEV 不能像 BEV 那样在家中加油。然而，世界上大多数国家都计划增加加氢站的数量，在几年内达到其全国覆盖范围。

操作周期。如今，几乎所有电动汽车电池的保修期至少为 8 年或 100,000 英里，这是第一位的。汽车锂离子电池的寿命严格取决于充电/放电循环次数以及热管理系统和电池缓冲器提供的保护（防止电池完全放电或充电，这是一种有害条件）对于这种电池）。相反，燃料电池堆的估计寿命约为 5,000 小时，相当于行驶 150,000 英里。短距离行驶会给膜带来严重的压力，膜会反复润湿和干燥。连续运行，燃料电池堆可能能够无故障运行 40,000 小时。

整体效率。根据美国能源部 (DOE) 的研究，FCEV 在 25% 额定功率下的整体效率约为 57%，计算效率约为 60%。如图 3所示，DOE 2020 目标用星号表示，对应于 65% 的整体效率。尽管取得了良好进展，实际值与计算值之间的差距缩小，但 FCEV 制造商仍需进行改进以实现效率目标。

图 3：燃料电池效率与额定功率的关系（图片：美国能源部）

随着车辆设计范围的增加，BEV 迅速变重，效率降低。因此，我们可以说 BEV 对于短距离旅行非常有效，但对于长距离旅行则不然。不同类型车辆的能效与设计范围之间的关系如图 4所示。在短距离内，BEV 达到了最高的效率水平。然而，随着续航里程的增加，内燃机汽车和 FCEV 变得更加高效。在长距离上，FCEV 提供了最大的效率。

图 4：能效与设计范围

旨在为 BEV 和 FCEV 车辆充电的基础设施的智能和组合使用使我们能够利用这两种技术提供的综合优势。例如，电动汽车夜间充电的简单性和成本效益可以与用于长距离 FCEV 车辆的加氢站相结合。提供两种基础设施推出的综合战略可以最大限度地提高能源效率，优化可再生能源的使用并减少二氧化碳排放。氢气的优势在于，加氢站可以使用可再生能源直接在现场生产，无需连接到更广泛的加氢网络或电网。

结论
BEV 可降低消耗并提高能源效率，前提是它们的总重量不太高（重量取决于安装的电池数量和容量）。因此，在短距离内运行的轻型 BEV 可以获得最大的效率。FCEV 车辆能够相对于其重量存储更多能量，并且可以更快地执行燃料电池的再填充。因此，FCEV 对于长途旅行和需要最少停机时间的应用（卡车、运输巴士或工业车辆）非常有效。未来的出行将越来越丰富基于共享交通工具的解决方案，未来电池电动汽车和燃料电池电动汽车将发挥互补而非对立的作用。