電池電動車(BEV)與燃料電池電動車(FCEV),是敵還是友?

電池電動車（BEV，Battery Electric Vehicles）與燃料電池電動車（FCEV，Fuel-cell Electric Vehicles）是兩種 「清潔」能源車輛技術，都能夠減少溫室氣體的排放。本文將論述為何這兩種車輛技術是互補的，而不是對立的，並討論它們在運輸行業逐步脫碳進程中的相互協作關係。hbKEETC-電子工程專輯

道路運輸逐步脫碳和政府減少二氧化碳排放的法規要求正迫使汽車製造商加大新能源車輛（即低排放甚至零排放）的研發和推廣力度，以減少對環境的負面影響。hbKEETC-電子工程專輯

在這種大環境下，電池電動車（BEV）與燃料電池電動車（FCEV）之間的比較成了一個熱門話題，人們熱衷於對比兩種技術中哪一種更好。與所有電動車一樣，FCEV也使用電能為電動機提供動力，區別在於FCEV使用燃料電池發電，而不是直接從電池中獲取電能，如圖1所示。由於電力是通過車載氫與空氣中氧之間的化學反應而產生的，所以唯一排放的廢氣是水蒸氣。hbKEETC-電子工程專輯

圖1：氫燃料電池驅動車輛（圖片：美國能源部）hbKEETC-電子工程專輯

對比BEV和FCEV，究竟哪種技術更清潔或產生的汙染排放最少？目前並無定論。要比較這兩種技術解決方案，首先必須評估整個能源生命周期(即從生產到報廢)中產生的排放到底有多少。從它們所使用的能源（電能和氫氣）來看，BEV和FCEV都是清潔的。它們的優勢在於，電能和氫氣都可以從可再生能源（例如太陽能或風能）中獲得，而氫氣也可以在加氫站現場直接生產。hbKEETC-電子工程專輯

燃料電池的原理

燃料電池單元主要由陽極、陰極和電解質組成。將一些基本電池單元（幾百個）連接在一起，以達到特定應用所需的電壓。儘管工作原理相同，但根據所使用的電解質類型不同，燃料電池的種類也花樣繁多。汽車業最常用的燃料電池是聚合物電解質膜燃料電池（PEMFC），如圖2所示。hbKEETC-電子工程專輯

圖2：PEMFC的工作原理（圖片：Wikipedia）hbKEETC-電子工程專輯

聚合物膜是酸性的，被輸送的離子是氫離子或質子。這種電池以純氫為燃料，空氣或純氧為氧化劑。PEMFC的工作溫度接近80°C，具有極高的效率和功率密度，因此非常適用於汽車應用。更有意思的是，PEMFC的運行成本也較低，因為聚合物膜（實際上是一個去離子過濾器）並不昂貴，僅需每30,000英裡更換一次即可。只要將PEMFC與可充電電池配對，就可以設計出混合動力車。通過適當配置，汽車製造商可以使之與電動機或汽油發動機汽車一樣運行。燃料電池類似於內燃機（ICE），ICE將儲存在燃料中的化學能轉化為旋轉機械能，再由機械能直接使車輛移動，或通過交流發電機轉換為電能。燃料電池的轉換非常相似，它通過化學過程發電，但這個過程不會產生汙染排放。在不久的將來，FCEV將會與BEV以互補的方式運行，促進氫燃料替代石油燃料。hbKEETC-電子工程專輯

FCEV與BEV的比較

我們通過一些關鍵因素來比較電池電動車和燃料電池電動車：hbKEETC-電子工程專輯

●能量密度（單位質量的能量）。氫氣40,000 Wh/kg的能量密度非常亮眼，而最先進的鋰離子電池能量密度約為250 Wh/kg。最高級別的電動車Tesla S使用鎳、鈷和鋁（NCA）電池，能夠提供248 Wh/kg的能量密度。這意味著氫氣每千克可提供數百倍的能量，從而使車輛在不增加重量的情況下延長續航裡程。hbKEETC-電子工程專輯

●加燃料和充電時間。FCEV可以在不到五分鐘的時間內輕鬆加滿；相比之下，BEV正常充電有時需要幾個小時，而超快速充電（如果有這個功能的話）則需近一小時。此外，燃料電池車單次加滿提供的行駛裡程更長，是長途車輛的理想解決方案。但是，FCEV不能像BEV那樣在家中添加燃料。不過，世界上很多國家都有計劃增加加氫站的數量，並在幾年之內覆蓋全國範圍。hbKEETC-電子工程專輯

●運行周期。現在，幾乎所有的電動車電池都能保證至少八年或100,000英裡的運行，這一點很亮眼。車輛鋰離子電池的壽命完全取決於其充/放電的循環次數以及熱管理系統和電池緩衝器所提供的保護。電池緩衝器可以防止電池完全放電或過度充電，這兩種狀態都會損害鋰離子電池。而燃料電池堆的預估壽命約為5,000小時，相當於150,000英裡的行駛裡程。但短途行駛會給聚合物膜帶來嚴重壓力，因為它會反覆潮溼和乾燥。若連續運行，燃料電池組應可以無故障運行40,000小時。hbKEETC-電子工程專輯

●整體效率。美國能源部（DOE）的研究顯示，額定功率25%的FCEV整體效率約為57%，計算出的理論效率約為60%。如圖3所示，美國能源部2020年的目標以星號表示，即65%的總體效率。儘管已經取得不小的進步，並且實際值和計算值之間的差距也減小了，但FCEV製造商仍需要不斷改進以實現效率目標。hbKEETC-電子工程專輯

圖3: 燃料電池效率與額定功率之間的函數關係（圖片：美國能源部）hbKEETC-電子工程專輯

隨著車輛設計的行駛裡程不斷加大，BEV重量迅速增加，而效率卻在降低。可以說，BEV短途行駛效率很高，但不適用於長途行駛。圖4顯示了不同類型車輛的能效與設計裡程之間的關係。在短途範圍內，BEV達到最高效率水平。但隨著裡程的增加，內燃機車輛和FCEV變得更加高效。而對長途行駛，FCEV則可提供最高效率。hbKEETC-電子工程專輯

圖4: 能效與設計裡程之間的關係hbKEETC-電子工程專輯

若能將BEV和FCEV的充電/加氣基礎設施很好地結合起來，我們就能夠利用這兩種技術的組合優勢。 例如，電動車充電站具備通宵充電的簡便性和成本效益，可與針對FCEV車輛長途行駛的加氫站相結合。兩種基礎設施共同部署的組合策略可以最大程度地提高能源效率，優化可再生能源的利用率，並減少二氧化碳排放。氫氣的優勢在於，加氫站可以使用可再生能源直接在現場生產，無需連接到更大的加油網絡或電網中。或者，也可以通過工業流程生產氫氣，然後將其運輸到加氫站。hbKEETC-電子工程專輯

結語

如果BEV總重不大（這取決於安裝的電池數量和容量），則功耗會降低，可以提供較高的能效。因此，短途行駛的輕型BEV可獲得最高的效率。相同重量下，FCEV車輛能夠存儲更多的能量，燃料電池的加氣也可以迅速完成。因此，FCEV非常適於長途行駛或要求停駛時間最少的應用（如卡車、運輸巴士或工業車輛）。基於各種交通方式之間的資源共享，未來的交通解決方案將越來越豐富，電池電動車和燃料電池電動汽將是取長補短的友軍，而不是非此即彼的敵人。hbKEETC-電子工程專輯

（參考原文：BEVs vs. FCEVs: Competing or Complementary Technologies?）hbKEETC-電子工程專輯

責編：Amy GuanhbKEETC-電子工程專輯

本文為《電子工程專輯》2020年6月刊雜誌文章，版權所有，禁止轉載。點擊申請免費雜誌訂閱 hbKEETC-電子工程專輯