引言：如果LIB和FC互相補充對方的弱點，則在一些目前各自單獨都無法完成的用途上產生新突破的可能性極其高。

專家問答幫小白5分鐘了解燃料電池：

Q1：什么是燃料電池（FC）？它與鋰離子二次電池有何不同？

A1：操作原理與Li離子二次電池的操作原理相同，都是負極材料被正極材料氧化時，釋放電量。具體到燃料電池就是氫氧化形成水的反應，與緩慢燃燒一樣。所不同的是由H離子代替Li離子移動放電（發電），因此燃料電池也可以說是“H（氫）離子電池”。不過，目前已經商用化的只有不能充電的一次電池。

PEFC（固態高分子型燃料電池）的組成

Q2：與鋰離子二次電池相比有哪些特點？如果不能充電那是一次性的嗎？

A2：氫氣本身的燃燒能量密度是汽油的3倍。即使是在燃料電池系統中，能量密度也高達鋰離子二次電池的5倍左右，因此可以使用很長時間。即使初始容量耗盡，也不會是一次性的。原因是正極材料（氧氣）在空氣中存在且不會消失。負極材料（氫）也是氣體，當它消耗完后可以重新填充。

Q3：氫氣來自哪里？

A3：（例如）可以從水或太陽提取，然后將提取的氫氣在燃料電池中使用時，它又會變回水。太陽能發電和水電解設備，燃料電池可以說是通過水和氫將太陽能轉換成電能的機制。

Q4：二十年前日本就在提燃料電池與氫氣社會，這一次是真的要來到了嗎？

A4：最近，各種技術的發展和社會環境的變化顯示時機有到來的趨勢。例如：

輸出密度比20年前提高了3倍以上。

電動汽車（EV）、無人機等領域一度引起熱潮，但在實際用途中續航里程以及充電時間等痛點問題非常深刻，越來越多人意識到燃料電池可能解決上述問題。

目前普遍使用城市燃氣和甲醇作為燃料，但是存在氫轉化過程中一部分能量被消耗的問題。通過直接使用純氫，可以得出燃料電池的原始性能。目前基礎設施在逐步完善。

Q5：如果燃料電池出來，還需要鋰離子二次電池嗎？FCV與EV的關系將會如何？

A5：最佳使用方式在技術上是不同的，通過組合使用燃料電池與鋰離子電池，可以創建迄今無法完成的新應用或避免浪費成本。而且許多現有的燃料電池汽車（FCV）配備了容量不小的二次電池，實際上是半EV產品的形態。所以經濟合理性對于推廣才是最重要的，目前可預見的趨勢首先是與鋰離子二次電池一起使用才更合適。

FCV考慮首先從商用車輛（公共汽車，長途卡車，叉車，無人機等）引入，其中續航里程和稼動率很重要。如果未來自動駕駛普及的話，城市汽車采用FCV的可能性也很大。

Q6：有一種說法是日本雖然技術先進，但布局太早是否被孤立了？

A6：雖然日本制造商在技術方面保持優勢，但海外也在猛烈追趕。在市場開拓和發展氫氣供應基礎設施等方面，不如說海外現在的進展更快。美國Amazon和Walmart已經共計導入了約2萬臺燃料電池（FC）叉車。日本早期布局很早，但中間睡覺了，猛然覺醒的當下，有點睡過頭的兔子的狀態。

與LIB電池將保持互補的關系

我們比較了面向汽車市場的LIB和FC兩種電池技術的特征。FC電池具備明顯優勢的方面是：（1）高能量密度，（2）燃料（充電）時間短，（3）大容量化時低成本。

FC電池與LIB電池不是競爭而是互補關系

FC系統與鋰離子二次電池（LIB）的比較。能量密度方面即使考慮氫氣罐等，FC系統依然勝出。另一方面，FC的負荷跟隨性和電力利用效率低。雖然容量增加可以實現低成本，但是高功率輸出的成本就比較昂貴。FC使用的加氫站日本國內僅有大約100個，但快速充電器就有大約7000所，如果包含家用交流電源，則電動車得充電設施數量與FC差異巨大。

（A）EV與FCV長途駕駛時的優劣比較

（B）EV和FCV的用途區分

行駛距離越長差異就越大

使用EV卡車和FCV卡車時的差異（a）。EV卡車的速度通常相對較快，但巡航距離較短。此外，現有充電設施需要超過3個半小時才能充滿電。充電時間成為長途旅行的一大損失。另一方面，即使FCV卡車的行駛速度低，巡航距離很長，充氫只需15到20分鐘。因此，FCV卡車的平均時速更高。

為了區別應用，在不需要長續航距離的城市道路應用中，充電機會多且電力利用效率更高得EV是有利的，另一方面重型應用與無人機等電池的重能量密度很重要的應用，以及24小時駕駛的自動駕駛出租車等應用領域，FCV都成為更有利的選擇。最近，還開始開發用于自動駕駛車輛在氫站充氫時不需要人員介入的充氫機器人動向（b）。

LIB電池彌補FC電池的弱點

雖然按照上面得說法即使都用FCV電池看起來也還不錯，但現實并非如此，同樣FCV還存在一些弱點。具體而言，（1）短距離應用中的電力使用效率低，（2）負載跟隨能力低，（3）不容易實現高功率輸出，（4）充電基礎設施，即充氫站的數量是遠遠不夠。

（A）從發電到使用全過程中，LIB的效率是FC的兩倍

（B）考慮車輛重量等因素后的巡航距離和效率之間的關系

電力的一般利用效率與汽車效率不同

考慮到諸如FC和LIB等二次電池的一般電力使用效率，FC僅具有LIB（a）的1/2效率。這是因為FC需要將電轉換成氫，壓縮并輸送，然后再次將氫轉換成電的過程中損失很大。另一方面，如果考慮巡航范圍不同的車輛功率使用效率，車輛或無人駕駛飛機二次電池重量能量密度低。同時因為運輸電池本身也會消耗電量，如果通過加大電池數量來提高續航里程效率反而會急劇下降（b）。

所以符合這一邏輯的構圖是LIB電池僅適用于通過小電池容量就能滿足的短距離駕駛EV。裝載大容量電池以獲得續航里程的EV車型中，大部分電力將用來運輸電池本身，實際效率將低于FCV車型。無人駕駛飛機應用上這一邏輯更加明顯。

許多FCV車型實際是二次電池和FC電池的混合動力型

根據馬力和續航里程對目前市面已經發布的EV和FCV進行了分類，FCV大約具備相同馬力的EV車型兩倍的續航里程。然而，最近的FCV車型一般都會搭載小型EV差不多相同容量的二次電池，由二次電池和FC的混合系統進行驅動。

單獨的DRAM，或單獨的HDD都無法獨自驅動

順便提一下，LIB和FC在內的存儲能源技術之間的關系非常類似于計算機存儲器中DRAM，SSD，HDD，磁帶等的關系（圖10）。盡管DRAM具有低延遲，但是增加容量需要很大的成本，因此人們將它與SSD（盡管延遲稍大，但比特率低）結合使用。此外，為了確保更大的記錄容量或長期存儲一般用HDD，而日常則與系統分開保管的磁帶更受歡迎。

FC電池類似于存儲器中HDD或是磁帶的定位

根據數據記錄（存儲器）技術的特性差異進行區分（a），以及根據各種蓄電/存儲能量技術的特性差異（b）進行比較。在成本和響應性方面，LIB電池類似于存儲器技術中閃存一樣的存在。另一方面，FC電池對應于HDD和磁帶。類似于存儲技術中結合不同特性的技術使得個人計算機等成為更加有用的設備，利用蓄電/能量存儲技術的組合也有可能產生更高價值。

LIB作為能量儲存技術在相對短時間內充放電用途上由于高效率等優勢實用價值高，但用于大規模或長期存儲的目的則成本太高。與之相反，FC電池在長時間內充放電用途上性能優異，可以成為非常低成本的長期存儲手段。如果LIB和FC互相補充對方的弱點，則在一些目前各自單獨都無法完成的用途上產生新突破的可能性極其高。

LIB和FC電池兩面夾擊“抽水蓄電“

甚至還出現了將上述觀點細化研究形成的論文，考慮了制造成本和使用成本的長期變化，以及使用的差異等。2019年1月，英國帝國理工學院的研究人員展示了9種儲能技術的最低利用成本的應用及這些技術隨時間的變化，包括LIB和FC電池。

（a）最便宜的節能技術隨著時期不同而變化

（b）如果不能使用壓縮空氣和抽水蓄能發電前提下，2030年后的狀態

未來的LIB和燃料電池/氫將成為主要的存儲技術

英國帝國理工學院（a）研究人員所展示的放電頻率和放電時間成本競爭力最高的技術。對九種技術（LIB電池，FC/氫，NAS（鈉-硫）電池，鉛（Pb）電池，氧化還原液流釩利用率（VRFB），空氣壓縮，抽水發電蓄能，風車，雙電層電容器）從2015年到2050年的成本變遷進行了比較。色密度越高，成本競爭力越高。縱軸的放電時間與功率容量和備用容量等高相關，這意味著，只要放電時間越長，放電頻率越小（左上區域）就越適合大容量的電量儲存。2040年，LIB電池將部分取代抽水蓄能發電的主要應用，而FC/氫氣已確立了其大型電力的儲備技術地位。如假設抽水蓄能發電不能使用，2030年后FC/氫氣和LIB將變成新的兩大儲能技術（b）。

根據這一推測，成本競爭力強的LIB電池取代的將不是FC電池而是抽水發電。2015年左右抽水發電成本最低的許多地區將在2040年被LIB電池取代。雖然抽水蓄能發電和LIB的“邊界”在2015年重點放在放電是否超過1小時，但到了2040年后LIB價格大幅下降，甚至到放電需要12小時的一些用途上，LIB都能體現出成本優勢。

目前，日本及歐美電力系統都已經開始大量引入LIB以維持電力產量水平。例如，GSYuasa計劃在2020財年之后向北海道電力公司的電力系統引入額定輸出功率為240兆瓦，容量為720兆瓦時的LIB電池。在考慮LIB的成本時，重要的不僅僅是容量，而是額定輸出和容量之間的關系。上述情況下的容量額定輸出為3小時。鑒于上述論文，考慮到2015年后LIB的價格下跌，將其與抽水蓄能發電區分是合理的。反過來假設要在此額定輸出下繼續放電24小時，則需要5.76GWh（5760MWh）的容量，目前來說是不現實的。

另一方面，在更長充放電時間的使用用途上，FC/氫技術也逐漸侵蝕當前的抽水蓄電的使用區域，2040年之后將成為持續3天以上放電用途中成本最為低廉的技術。事實上，在英國，氫被用作儲存數月電力的一種儲存技術已經在使用。

順便說一下，抽水蓄能發電是一個非常大的儲能系統，使用兩個水壩，其環境負擔很高，因此未來很難增加建設。車載應用肯定是無法實現，并且其他可用的場景也是有限的。如果將抽水蓄能和空氣壓縮從上面的選擇項中去除，則到了2030年能夠留下來的就是LIB和FC/氫，以及風車發電或雙層電容器。這之后的20年至2050年情況可能都不會發生太大變化，除非出現意想不到的新技術，否則LIB和FC/氫的兩大技術時代將至少持續數十年。