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燃料电池汽车发展挑战
发布时间:2017/1/4 11:00:00
(来源:重塑未来)     

从美洲、欧洲和日韩等发达国家的燃料电池汽车发展现状看,全球主要汽车公司大都已经完成了燃料电池汽车的基本性能研发阶段,解决了若干关键技术问题,从整车性能、可靠性、寿命和环境适应性等各方面均已达到了和传统汽车相媲美的水平。随着这些发达国家的燃料电池汽车技术的趋于成熟,提高功率密度、低温冷启动等问题已经基本解决,研究重点逐渐转移到延长燃料电池寿命、降低燃料电池系统成本以及大规模建设加氢基础设施,推广商业化的示范上。

 1、延长燃料电池寿命

燃料电池寿命是制约燃料电池汽车商业化的重要影响因素。国外在客车和叉车的寿命取得了明显的突破,2011 年美国燃料电池混合动力公共汽车实际道路示范运行单车寿命超过1.1 万小时,燃料电池叉车寿命达到了1.25 万小时的水平;德国戴姆勒集团2009 年推出的第二代轮边电机驱动的燃料电池客车,寿命达到1.2 万小时。但轿车的寿命不超过5 000 小时,因此,国外下一代技术的研发重点仍然聚焦在如何延长燃料电池的寿命。影响燃料电池寿命的因素很多,从电极材料到电堆结构,从燃料电池系统到燃料电池汽车动力系统,最后到燃料电池整车,每个方面的设计合理性都直接影响着燃料电池的最终寿命。国外下一代主流技术将持续的研究重点主要包括以下诸多方面:

  • 电极材料层次:催化剂活性的变化,膜的质子传导能力的变化;

  • 电堆结构层次:散热,内阻,气体扩散,水汽交换等能力;

  • 燃料电池系统:空气再循环技术,稳定工况控制,启停机策略等;

  • 燃料电池动力系统:动力系统构型设计与优化,车辆动力性指标确定,DC/DC 的控制逻辑,动力电池匹配等。

随着下一代技术的不断发展,按照美国国家燃料电池公共汽车计划,2015 年美国燃料电池公共汽车的使用寿命达到2万小时到3万小时,车辆的性能达到传统柴油客车的水平,实现每天19小时的运行和出勤率,故障间隔里程大于6400 km。而日本丰田公司的燃料电池汽车的寿命将达到25年,达到内燃机汽车的同等水平。

图1 美国能源部(DOE)燃料电池汽车耐久性测试项目


 2、降低燃料电池系统成本

美国能源部(DOE)所属Argonne 国家实验室估计的燃料电池系统(轿车)的成本模型,预计到2017 年燃料电池系统的成本将下降到30USD/kW(按照年产量50万台的大批量生产折算),达到和内燃机成本同样的水平。图2为成本和产量规模之间的关系。近5年来燃料电池的系统成本已经下降了一半左右。图3是2011年燃料电池系统中各个零部件的成本比例及2017年的目标。整个燃料电池系统的成本中,电堆占总成本的一半;而电堆的总成本中,膜电极(membraneeletrode assembly, MEA) 的成本占一半(包括36% 催化剂和12% 膜),膜电极的主要成本是催化剂(铂等贵金属,37%)。由此可见,电堆中最主要的成本来源于与膜电极相关的原材料的成本。持续的原材料研究与开发,是实现电堆成本控制的重要方式。

图2 燃料电池系统成本分析


图3 燃料电池系统产量和成本的关系


除了通过燃料电池原材料的持续研究实现成本控制,简化和集成燃料电池系统的研究也是降低成本的重要途径。国外最先进的技术是实现空压机及其控制器的一体化,DC/DC 等电力电子器件的一体化;同时,简化系统零部件,去掉增湿器,消减传感器;在确保系统稳定的情况下,降低系统成本,降低系统故障率。

车用燃料电池系统的另外一个重要成本因素是高压储氢气瓶及电磁阀的成本。随着燃料电池电堆的成本下降,高压气瓶及电磁阀的相对成本明显提高,丰田通过先进的碳纤维缠绕复合瓶的研制,大幅度降低的70MPa气瓶的成本,实现了储氢系统的低成本。

 3、大规模建设加氢基础设施,推广商业示范

以欧美日为代表的发达国家的汽车厂商在长期潜心坚持燃料电池汽车研发的基础之上,进一步加强了在这一领域内的投入,并在近年来陆续小批量地推出用于租赁商业化示范的先进燃料电池轿车;在关键技术上取得重大突破的同时,示范运行也在不断深入,进一步推动了产业化成本的降低与配套基础设施的建设,为将来大规模商业化推广燃料电池汽车奠定基础。燃料电池汽车将主要应用于具有续驶里程长特点的中高级轿车、城市客车以及专用车辆,以燃料电池为主的电电混合及与以燃料电池为辅的plug-in 两种技术方案并存。

2009年,戴姆勒、福特、通用/欧宝、本田、现代/起亚、雷诺/日产和丰田等7 家车企,联合签署的一封致能源公司和政府机构的公开信指出:2015年起将有显著数量的燃料电池汽车推向市场,因此迫切需要建设氢基础设施,尤其是在欧洲(特别是德国)、美国、日本和韩国等重点市场。同年,德国主要的汽车和能源公司与政府联合启动了H2Mobility Initiative 计划,旨在于2012到2015年间建立起一个全国性综合加氢网络,为实现每年生产并销售10万辆电动和燃料电池汽车的后续项目打下坚实的基础。德国的目标是在2020年使50万辆燃料电池汽车投入使用,并于2015年开始燃料电池动力汽车的大规模商业化,德国目前已经有13个加氢站投入使用。日本现有120辆燃料电池轿车处于示范运行,2015年在名古屋、东京、大阪和福冈4个城市之间新建100座加氢站,开始进行大规模商业化示范运行,在2025年前扩大到800个加氢站,到2030年计划建成覆盖全国的加氢站,数量达到5000个,燃料电池汽车的比例超过10%。韩国目前已经建设了13座加氢站,预计到2020年建设168座加氢站。沿韩国高速公路建设成氢高速公路。美国加州的加氢站建设,截至2013年8月,已经拥有20座加氢站和超过300辆燃料电池车,到2018年建设超过100座加氢站,燃料电池车数据超过5.3万辆,加氢站加氢能力从2013年的100 kg/天提高到2018年的超过500 kg/天。


图4 加氢站及移动式加氢站

参考文 

[1] 崔胜民. 新能源汽车技术[M]. 北京:北京大学出版社,2009. ]

[2] 衣宝廉.燃料电池—原理技术应用[M].北京:化学工业出版社,2003]

[3] 刘志祥,钱伟,郭建伟,张杰,王诚,毛宗强.质子交换膜燃料电池材料[J].化学进展,2011,Z1:487-500

[4] 张丽彬,陈晓宁,吴文健,高洪涛.质子交换膜燃料电池发展前景探讨[J].农业工程技术(新能源产业),2011,04:15-19

[5] 熊麟,秦少雄,颜学敏,苏高申.质子交换膜燃料电池双极板材料研究进展[J].能源研究与信息,2010,01:1-6.]

[6] 美国能源部官网

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