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    燃料电池汽车商业化之路的主要问题

    来源:厚势 发布时间:2019-05-14 22:30 阅读数:4456

    质子交换膜燃料电池是最有前景的燃料电池汽车商业化方案之一。它的商业化进程一方面可能引起行业的演变,并也很可能对我们的日常生活产生深远的影响。本文主要讨论了当前阻碍燃料电池汽车商业化的两点主要问题:成本和耐久性,以及丰田等燃料电池汽车厂商在面对这些问题时所提出的代表性的技术。 

    1 各厂商燃料电池汽车发展历程

    图 1. 燃料电池概念车、原型车与量产车时间线

    在过去的近 30 年间,许多汽车制造商发布了他们的燃料电池概念车或量产车。从上图中可以看到,这些车辆的类型非常多样化,大多数是乘用车,另外还有小型货车、城市公共汽车、卡车和叉车等。上图中所提及的公司中,多数是从 20 世纪 90 年代初开始研究燃料电池汽车的。我们也不难发现,大多数的概念车和原型车都是在 2000 年左右出现的。值得注意的是,尽管在研究型的实验室中燃料电池汽车的时间线可能更早,但这里所讨论的,只是那些在文献中有详细报告、获得了与内燃机车辆相当的整车性能的燃料电池汽车,它们所定位的目标都是商业化落地。

    从图中还可以发现,尽管许多制造商最初都参加了这场竞赛,但在三十年后的今天,只有少数燃料电池车型实现了在有限的地区或场景中进入市场(图中的绿色图标)。丰田汽车公司是第一家在市场上销售燃料电池乘用车的汽车制造商。根据最新数据显示,到 2019 年 1 月,丰田已经在加州销售了超过 4700 辆燃料电池汽车。最近,丰田计划进一步将其燃料电池汽车市场拓展到加拿大。丰田不仅在销量上领导着 FCV 市场,它在燃料电池基础研究和 FCV 技术开发方面也处于领先的地位。根据最近的数据分析,丰田拥有最多的涉及燃料电池技术的专利。基于 1998 - 2018 年的专利数据,以「氢、车辆、燃料电池」为关键词检索,丰田拥有 923 项专利,这几乎是排名第二的本田汽车公司相关专利数量的两倍。在早期阶段,丰田对 FCV 的研究主要集中在车辆的一般性能方面,如功率输出,效率和运行能力等。随后他们主要解决了运行环境范围和效率等可靠性问题。在近期的研究中,又转向关注耐久性、成本控制等问题。丰田的燃料电池汽车研究和开发始于 1992 年,到了十年后的 2002 年,其首个面向市场的燃料电池汽车「TOYOTA-FCHV」获得了认证,并开始在日本和美国进行限量销售。这种混合动力燃料电池汽车基本上奠定了今天的 Mirai 的基础。它使用了最大功率为 90 kW 的 PEM 电池堆以及镍氢二次电池。通过混合动力控制优化和再生制动技术,可实现瞬态响应性能和燃油经济性的平衡。基于测试结果,与内燃机汽车相比,该燃料电池汽车具有相同的加速性能和三倍的能量效率。

    相比之下,福特汽车公司走出了不同的发展轨迹,他们早在 1981 年就分析了使用氢气作为汽车燃料的潜力。潜在的路径包括燃料电池和氢燃料内燃机。他们将燃料电池汽车与纯电动汽车进行了比较,分析了从生产到消耗的整个氢能流。结论是,利用二十世纪末的技术,氢燃料电池汽车不太可能进入市场。主要原因是,与其他技术相比,燃料电池系统和氢气生产的成本更高。但他们也指出,更长远来看,当氢能可以通过各种可再生能源生产时,氢燃料电池汽车将可以与内燃机车辆竞争。

    2000 年,福特汽车公司开发了一辆燃料电池乘用车 P2000FCV。它使用储存在两个碳纤维罐中的 24.8 MPa 压缩氢气。P2000FCV 由三个 PEM 燃料电池堆供电,每个 25 kW。整车性能可与汽油车相当。但测试中也暴露出一些问题需要得到显著改善,包括耐久性和冷启动性能等。在接下来的几年中福特开发了另外两台原型车,包括 2005 年的 Focus FCEV 和 2007 年的 Hydrogen 999 。最近,根据报道,福特汽车电气化的商业化战略将首先通过纯电动汽车进行突破。在 2015 年投资了 45 亿美元后,最近的计划是投入 110 亿美元,在 2022 年前推出 16 款纯电动汽车。福特的商业化燃料电池汽车可能会首先在商用货车或重型汽车上实现。从近期福特发布的报告和发表的论文来看,他们主要在开展相关基础研究,以提高燃料电池堆的耐久性。例如,他们研究了 10 nm 镀金不锈钢双极板,改进了车载储氢技术和氢气输送策略。

    2 商业化的方向与问题

    质子交换膜燃料电池的相关技术进展,是决定其能够在车辆上成功应用并商业化发展的关键。在回顾了其发展历程之后,基本可以对燃料电池商业化所面临的几个主要挑战达成共识:

    1) 经济可行性和商业可行性;

    2) 燃料电池系统耐久性;

    3) 燃料电池系统可靠性;

    4) 效率;

    5) 氢燃料相关问题:质量、成本、存储、分配和安全等;

    6) 安全、标准、公众接受。

    图 2. 燃料电池系统成本分解及变化趋势

    经济可行性和商业可行性,主要是指要能够将燃料电池的成本降低到一定程度,从而可以为整个供应链中的所有参与者提供与其它同类产品相当的投资回报。只有这样,它才能在同一领域内具有竞争力。

    燃料电池汽车的成本问题可以从多个维度来看待,与内燃机车辆相比,FCV 具有较低的使用成本(前提是,氢气的生产、分配和加氢过程全部以大规模方式运行)。在本文中主要讨论的是燃料电池汽车的制造成本。

    图 2 展示的是根据美国能源部建立的成本分析模型,计算出的燃料电池系统制造成本的变化趋势,以及各个关键组件中的成本分配。这些数据使用了基于 80 kW PEM 燃料电池系统的成本模型进行计算。图中,灰色球形符号所在的灰色横截面,展示的是燃料电池系统制造成本随年产量的变化。随着年产量从每年 1k 套增加到每年 500k 套,因为学习曲线效应,成本将显着降低。每年 1k 套系统基本是当前的市场状态,而预计当燃料电池汽车市场完全发展时,将可以达到每年 500k 的产量。另一个维度上,绿色平面和蓝色平面分别对应于 100k 和 500k 的年产量时,成本随着每年的技术进步而降低的趋势。预计到 2025 年之后,假如可以达到 500k 的年产量,那么成本可以降到 40$/kW。饼图表示了两种不同年产量对应的成本细分。可以看到,随着产量的提高,那些制造成本占主导地位的部件,成本比例下降,如 PEM 和 GDL。相反,材料成本占主导地位的部件如催化剂和 BP,它们占总成本的比例增加。

    3 代表性的技术

    丰田在其研究中强调了燃料电池系统的水热管理问题对耐久性的重要影响。燃料电池汽车耐久性的限制,主要来自于 PEM 燃料电池系统中的几个关键部件,包括质子交换膜、催化剂层(CL)、气体扩散层(GDL)、双极板(BP)和空压机等。在过去的十几年间,以丰田为代表的燃料电池汽车制造商,研究了多项技术,提升水热管理能力,进而提高电池系统总体耐久性。这些技术包括「低电势运行」、「自增湿系统」、「三维流场结构」等。

    3.1自增湿系统(丰田)

    图 3 所示的是丰田的「自增湿系统」示意图,这一系统旨在提高水热管理性能,它是 FCV 商业化道路上的重要创新。因为它不仅提高了燃料电池系统的耐久性,还降低了成本、提高了动力性能。其工作原理可以解释为以下四个方面。

    首先,氢气与空气流动方向相反,加上更薄的质子交换膜设计,促进了水的均匀分布。因此,加湿的氢气出口可以保护空气入口免于干燥。其次,在进气口处加宽流场和设计了三维精细网状结构,这样可以降低流速减少湍流,因此阴极空气入口处的水分蒸发较少。第三,增加阴极空气入口处的冷却,因温度降低从而进一步减少蒸发。第四,将猝光剂加入 MEA 中以促进其抗中毒性能。因此,尽管在低湿度操作下会产生更多的羟基自由基等污染物,但 MEA 可以不受污染物的影响。

    图3. 自动增湿系统示意图

    3.2 三维精细网状阴极流场结构(丰田)

    图 4 所示是丰田发明的三维精细网状阴极流场结构,这是丰田的另一项 FCV 重要发明。它通过优化的水热管理以最低的成本提高了耐用性。为了解释其工作原理和优势,我们将其与其它流场设计进行了比较。如图 4(a)所示是直流场,它的优点包括结构简单、制造方便等。然而,这种类型的设计问题在于它倾向于导致阴极中的水淹,因此容易阻碍反应气体供给,导致电压损失。

    第二个是多孔金属流场,一般由金属泡沫制成,如图 4(c)所示。它们通过毛细压力可以有效地排出水,从而减少 GDL 和 CL 中的水分积累。但是这种结构制造较为困难,量产时难以保证生产质量稳定,并且结构本身也容易导致较高的压力损失。

    第三个是三维精细网状流场结构,如图 4(e)所示。流场的三维结构提供了挡板,可以有效引导空气流向 GDL 和 MEA,从而促进空气扩散和向阴极催化剂层的对流效果。该结构还提供了与空气流场分开的空隙,因此工作生成的水可以从 GDL 中抽出并通过孔排出,而不会阻挡空气传输。此外,三维结构可以缓解入口湍流,从而减轻膜干燥的情况。这对于自增湿系统也很重要。

    图4. 三维网状流场结构示意图及其与其它结构的比较

    3.3 单层Pt催化剂颗粒(丰田)

    丰田与布鲁克海文国家实验室以及美国能源部合作开发了具有 Core-Shell 结构的催化剂颗粒。研究人员使用成本更低的 Pd 作为核心,通过电化学沉积方法在 Pd 核上覆盖了一层 Pt。经过分析,这一 Pt 外壳可以达到仅有单层原子的厚度。由于 Pt 只是参与催化作用,因此主要只在催化剂颗粒表面起效,因此,在催化剂颗粒的核心用低成本材料替代 Pt,是一种显著降低 Pt 用量并保持足够催化剂活性的方法。

    图5. Core-Shell结构的催化剂颗粒

    3.4 非贵金属催化剂(尼桑、3M)

    降低催化剂成本的另一个途径是使用非贵金属。尽管 Pt 的替代催化剂大多仍在实验室研究阶段,但非贵金属催化剂可能是未来实现 FCV 商业化的一个重要条件。对于一个成熟的市场产品,最大的问题并不一定是高成本本身,而是成本的不确定性。如果未来商业化的燃料电池汽车过于依赖 Pt,那对制造商来说将是潜在的威胁,因为 Pt 资源有限并且价格波动很大,在过去十年中,Pt 价格一直在 25 美元/克至 65 美元/克之间变化。尼桑和 3M 公司一直在进行非贵金属催化剂的基础研究。他们合成了 Fe-N-C 催化剂,对其纳米结构进行了改性,从而可以获得了高反应活性和耐久性。

    总结

    从上世纪90年代,各汽车厂商制造出第一批燃料电池概念车和工程样车开始,到今天逐步加大投入到降本与耐久性技术的研究中,各项技术的进步正在为燃料电池的商业化进程铺平道路。随着年产量的提升以及成本削减技术的进步,预计到 2025 年之后,车用燃料电池系统的成本可以降到 40 $/kW。届时各零部件的生产规模化,整个供应链中具有了充足的投资回报,燃料电池汽车将在本领域内具有足够的竞争力。当前量产燃料电池车型中成本的降低与耐久性的提升,一方面得益于优化的水热管理技术,提高了功率密度。这使得燃料电池系统得以小型化,单位成本下降,同时也提高了寿命。另一方面也得益于催化剂材料的显著进步。合金技术、贵金属替代材料等,都显著降低了催化剂的成本。

    同时我们也应该注意到,当前很多效果优良的技术通常还只存在于实验室中,一些技术仅基于实验级的单电池或小型电堆进行了验证,那么当单电池集成为电堆时,组件间的相互影响则极有可能带来额外的问题。对于燃料电池汽车的商业化进程,这些工业级量产化可能带来的新问题既是挑战也是新的机遇

    参考文献

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