中國(guó)儲(chǔ)能網(wǎng)訊：質(zhì)子交換膜燃料電池是最有前景的燃料電池汽車商業(yè)化方案之一。它的商業(yè)化進(jìn)程一方面可能引起行業(yè)的演變，并也很可能對(duì)我們的日常生活產(chǎn)生深遠(yuǎn)的影響。本文主要討論了當(dāng)前阻礙燃料電池汽車商業(yè)化的兩點(diǎn)主要問(wèn)題：成本和耐久性，以及豐田等燃料電池汽車廠商在面對(duì)這些問(wèn)題時(shí)所提出的代表性的技術(shù)。
1 各廠商燃料電池汽車發(fā)展歷程
圖 1. 燃料電池概念車、原型車與量產(chǎn)車時(shí)間線
在過(guò)去的近 30 年間，許多汽車制造商發(fā)布了他們的燃料電池概念車或量產(chǎn)車。從上圖中可以看到，這些車輛的類型非常多樣化，大多數(shù)是乘用車，另外還有小型貨車、城市公共汽車、卡車和叉車等。上圖中所提及的公司中，多數(shù)是從 20 世紀(jì) 90 年代初開(kāi)始研究燃料電池汽車的。我們也不難發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)的概念車和原型車都是在 2000 年左右出現(xiàn)的。值得注意的是，盡管在研究型的實(shí)驗(yàn)室中燃料電池汽車的時(shí)間線可能更早，但這里所討論的，只是那些在文獻(xiàn)中有詳細(xì)報(bào)告、獲得了與內(nèi)燃機(jī)車輛相當(dāng)?shù)恼囆阅艿娜剂想姵仄?，它們所定位的目?biāo)都是商業(yè)化落地。
從圖中還可以發(fā)現(xiàn)，盡管許多制造商最初都參加了這場(chǎng)競(jìng)賽，但在三十年后的今天，只有少數(shù)燃料電池車型實(shí)現(xiàn)了在有限的地區(qū)或場(chǎng)景中進(jìn)入市場(chǎng)（圖中的綠色圖標(biāo)）。豐田汽車公司是第一家在市場(chǎng)上銷售燃料電池乘用車的汽車制造商。根據(jù)最新數(shù)據(jù)顯示，到 2019 年 1 月，豐田已經(jīng)在加州銷售了超過(guò) 4700 輛燃料電池汽車。最近，豐田計(jì)劃進(jìn)一步將其燃料電池汽車市場(chǎng)拓展到加拿大。豐田不僅在銷量上領(lǐng)導(dǎo)著 FCV 市場(chǎng)，它在燃料電池基礎(chǔ)研究和 FCV 技術(shù)開(kāi)發(fā)方面也處于領(lǐng)先的地位。根據(jù)最近的數(shù)據(jù)分析，豐田擁有最多的涉及燃料電池技術(shù)的專利?；?1998 - 2018 年的專利數(shù)據(jù)，以「氫、車輛、燃料電池」為關(guān)鍵詞檢索，豐田擁有 923 項(xiàng)專利，這幾乎是排名第二的本田汽車公司相關(guān)專利數(shù)量的兩倍。在早期階段，豐田對(duì) FCV 的研究主要集中在車輛的一般性能方面，如功率輸出，效率和運(yùn)行能力等。隨后他們主要解決了運(yùn)行環(huán)境范圍和效率等可靠性問(wèn)題。在近期的研究中，又轉(zhuǎn)向關(guān)注耐久性、成本控制等問(wèn)題。豐田的燃料電池汽車研究和開(kāi)發(fā)始于 1992 年，到了十年后的 2002 年，其首個(gè)面向市場(chǎng)的燃料電池汽車「TOYOTA-FCHV」獲得了認(rèn)證，并開(kāi)始在日本和美國(guó)進(jìn)行限量銷售。這種混合動(dòng)力燃料電池汽車基本上奠定了今天的 Mirai 的基礎(chǔ)。它使用了最大功率為 90 kW 的 PEM 電池堆以及鎳氫二次電池。通過(guò)混合動(dòng)力控制優(yōu)化和再生制動(dòng)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)性能和燃油經(jīng)濟(jì)性的平衡?；跍y(cè)試結(jié)果，與內(nèi)燃機(jī)汽車相比，該燃料電池汽車具有相同的加速性能和三倍的能量效率。
相比之下，福特汽車公司走出了不同的發(fā)展軌跡，他們?cè)缭?1981 年就分析了使用氫氣作為汽車燃料的潛力。潛在的路徑包括燃料電池和氫燃料內(nèi)燃機(jī)。他們將燃料電池汽車與純電動(dòng)汽車進(jìn)行了比較，分析了從生產(chǎn)到消耗的整個(gè)氫能流。結(jié)論是，利用二十世紀(jì)末的技術(shù)，氫燃料電池汽車不太可能進(jìn)入市場(chǎng)。主要原因是，與其他技術(shù)相比，燃料電池系統(tǒng)和氫氣生產(chǎn)的成本更高。但他們也指出，更長(zhǎng)遠(yuǎn)來(lái)看，當(dāng)氫能可以通過(guò)各種可再生能源生產(chǎn)時(shí)，氫燃料電池汽車將可以與內(nèi)燃機(jī)車輛競(jìng)爭(zhēng)。
2000 年，福特汽車公司開(kāi)發(fā)了一輛燃料電池乘用車 P2000FCV。它使用儲(chǔ)存在兩個(gè)碳纖維罐中的 24.8 MPa 壓縮氫氣。P2000FCV 由三個(gè) PEM 燃料電池堆供電，每個(gè) 25 kW。整車性能可與汽油車相當(dāng)。但測(cè)試中也暴露出一些問(wèn)題需要得到顯著改善，包括耐久性和冷啟動(dòng)性能等。在接下來(lái)的幾年中福特開(kāi)發(fā)了另外兩臺(tái)原型車，包括 2005 年的 Focus FCEV 和 2007 年的 Hydrogen 999 。最近，根據(jù)報(bào)道，福特汽車電氣化的商業(yè)化戰(zhàn)略將首先通過(guò)純電動(dòng)汽車進(jìn)行突破。在 2015 年投資了 45 億美元后，最近的計(jì)劃是投入 110 億美元，在 2022 年前推出 16 款純電動(dòng)汽車。福特的商業(yè)化燃料電池汽車可能會(huì)首先在商用貨車或重型汽車上實(shí)現(xiàn)。從近期福特發(fā)布的報(bào)告和發(fā)表的論文來(lái)看，他們主要在開(kāi)展相關(guān)基礎(chǔ)研究，以提高燃料電池堆的耐久性。例如，他們研究了 10 nm 鍍金不銹鋼雙極板，改進(jìn)了車載儲(chǔ)氫技術(shù)和氫氣輸送策略。
2 商業(yè)化的方向與問(wèn)題
質(zhì)子交換膜燃料電池的相關(guān)技術(shù)進(jìn)展，是決定其能夠在車輛上成功應(yīng)用并商業(yè)化發(fā)展的關(guān)鍵。在回顧了其發(fā)展歷程之后，基本可以對(duì)燃料電池商業(yè)化所面臨的幾個(gè)主要挑戰(zhàn)達(dá)成共識(shí)：
1） 經(jīng)濟(jì)可行性和商業(yè)可行性；
2） 燃料電池系統(tǒng)耐久性；
3） 燃料電池系統(tǒng)可靠性；
4） 效率；
5） 氫燃料相關(guān)問(wèn)題：質(zhì)量、成本、存儲(chǔ)、分配和安全等；
6） 安全、標(biāo)準(zhǔn)、公眾接受。
圖 2. 燃料電池系統(tǒng)成本分解及變化趨勢(shì)
經(jīng)濟(jì)可行性和商業(yè)可行性，主要是指要能夠?qū)⑷剂想姵氐某杀窘档偷揭欢ǔ潭龋瑥亩梢詾檎麄€(gè)供應(yīng)鏈中的所有參與者提供與其它同類產(chǎn)品相當(dāng)?shù)耐顿Y回報(bào)。只有這樣，它才能在同一領(lǐng)域內(nèi)具有競(jìng)爭(zhēng)力。
燃料電池汽車的成本問(wèn)題可以從多個(gè)維度來(lái)看待，與內(nèi)燃機(jī)車輛相比，F(xiàn)CV 具有較低的使用成本（前提是，氫氣的生產(chǎn)、分配和加氫過(guò)程全部以大規(guī)模方式運(yùn)行）。在本文中主要討論的是燃料電池汽車的制造成本。
圖 2 展示的是根據(jù)美國(guó)能源部建立的成本分析模型，計(jì)算出的燃料電池系統(tǒng)制造成本的變化趨勢(shì)，以及各個(gè)關(guān)鍵組件中的成本分配。這些數(shù)據(jù)使用了基于 80 kW PEM 燃料電池系統(tǒng)的成本模型進(jìn)行計(jì)算。圖中，灰色球形符號(hào)所在的灰色橫截面，展示的是燃料電池系統(tǒng)制造成本隨年產(chǎn)量的變化。隨著年產(chǎn)量從每年 1k 套增加到每年 500k 套，因?yàn)閷W(xué)習(xí)曲線效應(yīng)，成本將顯著降低。每年 1k 套系統(tǒng)基本是當(dāng)前的市場(chǎng)狀態(tài)，而預(yù)計(jì)當(dāng)燃料電池汽車市場(chǎng)完全發(fā)展時(shí)，將可以達(dá)到每年 500k 的產(chǎn)量。另一個(gè)維度上，綠色平面和藍(lán)色平面分別對(duì)應(yīng)于 100k 和 500k 的年產(chǎn)量時(shí)，成本隨著每年的技術(shù)進(jìn)步而降低的趨勢(shì)。預(yù)計(jì)到 2025 年之后，假如可以達(dá)到 500k 的年產(chǎn)量，那么成本可以降到 40$/kW。餅圖表示了兩種不同年產(chǎn)量對(duì)應(yīng)的成本細(xì)分。可以看到，隨著產(chǎn)量的提高，那些制造成本占主導(dǎo)地位的部件，成本比例下降，如 PEM 和 GDL。相反，材料成本占主導(dǎo)地位的部件如催化劑和 BP，它們占總成本的比例增加。
3 代表性的技術(shù)
豐田在其研究中強(qiáng)調(diào)了燃料電池系統(tǒng)的水熱管理問(wèn)題對(duì)耐久性的重要影響。燃料電池汽車耐久性的限制，主要來(lái)自于 PEM 燃料電池系統(tǒng)中的幾個(gè)關(guān)鍵部件，包括質(zhì)子交換膜、催化劑層（CL）、氣體擴(kuò)散層（GDL）、雙極板（BP）和空壓機(jī)等。在過(guò)去的十幾年間，以豐田為代表的燃料電池汽車制造商，研究了多項(xiàng)技術(shù)，提升水熱管理能力，進(jìn)而提高電池系統(tǒng)總體耐久性。這些技術(shù)包括「低電勢(shì)運(yùn)行」、「自增濕系統(tǒng)」、「三維流場(chǎng)結(jié)構(gòu)」等。
3.1自增濕系統(tǒng)(豐田)
圖 3 所示的是豐田的「自增濕系統(tǒng)」示意圖，這一系統(tǒng)旨在提高水熱管理性能，它是 FCV 商業(yè)化道路上的重要?jiǎng)?chuàng)新。因?yàn)樗粌H提高了燃料電池系統(tǒng)的耐久性，還降低了成本、提高了動(dòng)力性能。其工作原理可以解釋為以下四個(gè)方面。
首先，氫氣與空氣流動(dòng)方向相反，加上更薄的質(zhì)子交換膜設(shè)計(jì)，促進(jìn)了水的均勻分布。因此，加濕的氫氣出口可以保護(hù)空氣入口免于干燥。其次，在進(jìn)氣口處加寬流場(chǎng)和設(shè)計(jì)了三維精細(xì)網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，這樣可以降低流速減少湍流，因此陰極空氣入口處的水分蒸發(fā)較少。第三，增加陰極空氣入口處的冷卻，因溫度降低從而進(jìn)一步減少蒸發(fā)。第四，將猝光劑加入 MEA 中以促進(jìn)其抗中毒性能。因此，盡管在低濕度操作下會(huì)產(chǎn)生更多的羥基自由基等污染物，但 MEA 可以不受污染物的影響。
圖3. 自動(dòng)增濕系統(tǒng)示意圖
3.2 三維精細(xì)網(wǎng)狀陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)(豐田)
圖 4 所示是豐田發(fā)明的三維精細(xì)網(wǎng)狀陰極流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，這是豐田的另一項(xiàng) FCV 重要發(fā)明。它通過(guò)優(yōu)化的水熱管理以最低的成本提高了耐用性。為了解釋其工作原理和優(yōu)勢(shì)，我們將其與其它流場(chǎng)設(shè)計(jì)進(jìn)行了比較。如圖 4（a）所示是直流場(chǎng)，它的優(yōu)點(diǎn)包括結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便等。然而，這種類型的設(shè)計(jì)問(wèn)題在于它傾向于導(dǎo)致陰極中的水淹，因此容易阻礙反應(yīng)氣體供給，導(dǎo)致電壓損失。
第二個(gè)是多孔金屬流場(chǎng)，一般由金屬泡沫制成，如圖 4（c）所示。它們通過(guò)毛細(xì)壓力可以有效地排出水，從而減少 GDL 和 CL 中的水分積累。但是這種結(jié)構(gòu)制造較為困難，量產(chǎn)時(shí)難以保證生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，并且結(jié)構(gòu)本身也容易導(dǎo)致較高的壓力損失。
第三個(gè)是三維精細(xì)網(wǎng)狀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，如圖 4（e）所示。流場(chǎng)的三維結(jié)構(gòu)提供了擋板，可以有效引導(dǎo)空氣流向 GDL 和 MEA，從而促進(jìn)空氣擴(kuò)散和向陰極催化劑層的對(duì)流效果。該結(jié)構(gòu)還提供了與空氣流場(chǎng)分開(kāi)的空隙，因此工作生成的水可以從 GDL 中抽出并通過(guò)孔排出，而不會(huì)阻擋空氣傳輸。此外，三維結(jié)構(gòu)可以緩解入口湍流，從而減輕膜干燥的情況。這對(duì)于自增濕系統(tǒng)也很重要。
圖4. 三維網(wǎng)狀流場(chǎng)結(jié)構(gòu)示意圖及其與其它結(jié)構(gòu)的比較
3.3 單層Pt催化劑顆粒（豐田）
豐田與布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室以及美國(guó)能源部合作開(kāi)發(fā)了具有 Core-Shell 結(jié)構(gòu)的催化劑顆粒。研究人員使用成本更低的 Pd 作為核心，通過(guò)電化學(xué)沉積方法在 Pd 核上覆蓋了一層 Pt。經(jīng)過(guò)分析，這一 Pt 外殼可以達(dá)到僅有單層原子的厚度。由于 Pt 只是參與催化作用，因此主要只在催化劑顆粒表面起效，因此，在催化劑顆粒的核心用低成本材料替代 Pt，是一種顯著降低 Pt 用量并保持足夠催化劑活性的方法。
圖5. Core-Shell結(jié)構(gòu)的催化劑顆粒
3.4 非貴金屬催化劑（尼桑、3M）
降低催化劑成本的另一個(gè)途徑是使用非貴金屬。盡管 Pt 的替代催化劑大多仍在實(shí)驗(yàn)室研究階段，但非貴金屬催化劑可能是未來(lái)實(shí)現(xiàn) FCV 商業(yè)化的一個(gè)重要條件。對(duì)于一個(gè)成熟的市場(chǎng)產(chǎn)品，最大的問(wèn)題并不一定是高成本本身，而是成本的不確定性。如果未來(lái)商業(yè)化的燃料電池汽車過(guò)于依賴 Pt，那對(duì)制造商來(lái)說(shuō)將是潛在的威脅，因?yàn)?Pt 資源有限并且價(jià)格波動(dòng)很大，在過(guò)去十年中，Pt 價(jià)格一直在 25 美元/克至 65 美元/克之間變化。尼桑和 3M 公司一直在進(jìn)行非貴金屬催化劑的基礎(chǔ)研究。他們合成了 Fe-N-C 催化劑，對(duì)其納米結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改性，從而可以獲得了高反應(yīng)活性和耐久性。
總結(jié)
從上世紀(jì)90年代，各汽車廠商制造出第一批燃料電池概念車和工程樣車開(kāi)始，到今天逐步加大投入到降本與耐久性技術(shù)的研究中，各項(xiàng)技術(shù)的進(jìn)步正在為燃料電池的商業(yè)化進(jìn)程鋪平道路。隨著年產(chǎn)量的提升以及成本削減技術(shù)的進(jìn)步，預(yù)計(jì)到 2025 年之后，車用燃料電池系統(tǒng)的成本可以降到 40 $/kW。屆時(shí)各零部件的生產(chǎn)規(guī)?；?，整個(gè)供應(yīng)鏈中具有了充足的投資回報(bào)，燃料電池汽車將在本領(lǐng)域內(nèi)具有足夠的競(jìng)爭(zhēng)力。當(dāng)前量產(chǎn)燃料電池車型中成本的降低與耐久性的提升，一方面得益于優(yōu)化的水熱管理技術(shù)，提高了功率密度。這使得燃料電池系統(tǒng)得以小型化，單位成本下降，同時(shí)也提高了壽命。另一方面也得益于催化劑材料的顯著進(jìn)步。合金技術(shù)、貴金屬替代材料等，都顯著降低了催化劑的成本。
同時(shí)我們也應(yīng)該注意到，當(dāng)前很多效果優(yōu)良的技術(shù)通常還只存在于實(shí)驗(yàn)室中，一些技術(shù)僅基于實(shí)驗(yàn)級(jí)的單電池或小型電堆進(jìn)行了驗(yàn)證，那么當(dāng)單電池集成為電堆時(shí)，組件間的相互影響則極有可能帶來(lái)額外的問(wèn)題。對(duì)于燃料電池汽車的商業(yè)化進(jìn)程，這些工業(yè)級(jí)量產(chǎn)化可能帶來(lái)的新問(wèn)題既是挑戰(zhàn)也是新的機(jī)遇
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