中國儲能網(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)化的兩點主要問題：成本和耐久性，以及豐田等燃料電池汽車廠商在面對這些問題時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)車時間線
在過去的近 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，盡管在研究型的實驗室中燃料電池汽車的時間線可能更早，但這里所討論的，只是那些在文獻(xiàn)中有詳細(xì)報告、獲得了與內(nèi)燃機車輛相當(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競賽，但在三十年后的今天，只有少數(shù)燃料電池車型實現(xiàn)了在有限的地區(qū)或場景中進(jìn)入市場（圖中的綠色圖標(biāo)）。豐田汽車公司是第一家在市場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 4700 輛燃料電池汽車。最近，豐田計劃進(jìn)一步將其燃料電池汽車市場拓展到加拿大。豐田不僅在銷量上領(lǐng)導(dǎo)著 FCV 市場，它在燃料電池基礎(chǔ)研究和 FCV 技術(shù)開發(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 FCV 的研究主要集中在車輛的一般性能方面，如功率輸出，效率和運行能力等。隨后他們主要解決了運行環(huán)境范圍和效率等可靠性問題。在近期的研究中，又轉(zhuǎn)向關(guān)注耐久性、成本控制等問題。豐田的燃料電池汽車研究和開發(fā)始于 1992 年，到了十年后的 2002 年，其首個面向市場的燃料電池汽車「TOYOTA-FCHV」獲得了認(rèn)證，并開始在日本和美國進(jìn)行限量銷售。這種混合動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。通過混合動力控制優(yōu)化和再生制動技術(shù)，可實現(xiàn)瞬態(tài)響應(yīng)性能和燃油經(jīng)濟性的平衡?；跍y試結(jié)果，與內(nèi)燃機汽車相比，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，他們早在 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。他們將燃料電池汽車與純電動汽車進(jìn)行了比較，分析了從生產(chǎn)到消耗的整個氫能流。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。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，更長遠(yuǎn)來看，當(dāng)氫能可以通過各種可再生能源生產(chǎn)時，氫燃料電池汽車將可以與內(nèi)燃機車輛競爭。
2000 年，福特汽車公司開發(fā)了一輛燃料電池乘用車 P2000FCV。它使用儲存在兩個碳纖維罐中的 24.8 MPa 壓縮氫氣。P2000FCV 由三個 PEM 燃料電池堆供電，每個 25 kW。整車性能可與汽油車相當(dāng)。但測試中也暴露出一些問題需要得到顯著改善，包括耐久性和冷啟動性能等。在接下來的幾年中福特開發(fā)了另外兩臺原型車，包括 2005 年的 Focus FCEV 和 2007 年的 Hydrogen 999 。最近，根據(jù)報道，福特汽車電氣化的商業(yè)化戰(zhàn)略將首先通過純電動汽車進(jìn)行突破。在 2015 年投資了 45 億美元后，最近的計劃是投入 110 億美元，在 2022 年前推出 16 款純電動汽車。福特的商業(yè)化燃料電池汽車可能會首先在商用貨車或重型汽車上實現(xiàn)。從近期福特發(fā)布的報告和發(fā)表的論文來看，他們主要在開展相關(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)了車載儲氫技術(shù)和氫氣輸送策略。
2 商業(yè)化的方向與問題
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，基本可以對燃料電池商業(yè)化所面臨的幾個主要挑戰(zhàn)達(dá)成共識：
1） 經(jīng)濟可行性和商業(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)問題：質(zhì)量、成本、存儲、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
經(jīng)濟可行性和商業(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?，從而可以為整個供應(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。只有這樣，它才能在同一領(lǐng)域內(nèi)具有競爭力。
燃料電池汽車的成本問題可以從多個維度來看待，與內(nèi)燃機車輛相比，F(xiàn)CV 具有較低的使用成本（前提是，氫氣的生產(chǎn)、分配和加氫過程全部以大規(guī)模方式運行）。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)美國能源部建立的成本分析模型，計算出的燃料電池系統(tǒng)制造成本的變化趨勢，以及各個關(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)行計算。圖中，灰色球形符號所在的灰色橫截面，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，因為學(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)前的市場狀態(tài)，而預(yù)計當(dāng)燃料電池汽車市場完全發(fā)展時，將可以達(dá)到每年 500k 的產(chǎn)量。另一個維度上，綠色平面和藍(lán)色平面分別對應(yīng)于 100k 和 500k 的年產(chǎn)量時，成本隨著每年的技術(shù)進(jìn)步而降低的趨勢。預(yù)計到 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)量對應(yīng)的成本細(xì)分?？梢钥吹?，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)
豐田在其研究中強調(diào)了燃料電池系統(tǒng)的水熱管理問題對耐久性的重要影響。燃料電池汽車耐久性的限制，主要來自于 PEM 燃料電池系統(tǒng)中的幾個關(guān)鍵部件，包括質(zhì)子交換膜、催化劑層（CL）、氣體擴散層（GDL）、雙極板（BP）和空壓機等。在過去的十幾年間，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「低電勢運行」、「自增濕系統(tǒng)」、「三維流場結(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)化道路上的重要創(chuàng)新。因為它不僅提高了燃料電池系統(tǒng)的耐久性，還降低了成本、提高了動力性能。其工作原理可以解釋為以下四個方面。
首先，氫氣與空氣流動方向相反，加上更薄的質(zhì)子交換膜設(shè)計，促進(jìn)了水的均勻分布。因此，加濕的氫氣出口可以保護空氣入口免于干燥。其次，在進(jìn)氣口處加寬流場和設(shè)計了三維精細(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. 自動增濕系統(tǒng)示意圖
3.2 三維精細(xì)網(wǎng)狀陰極流場結(jié)構(gòu)(豐田)
圖 4 所示是豐田發(fā)明的三維精細(xì)網(wǎng)狀陰極流場結(jié)構(gòu)，這是豐田的另一項 FCV 重要發(fā)明。它通過優(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，我們將其與其它流場設(shè)計進(jìn)行了比較。如圖 4（a）所示是直流場，它的優(yōu)點包括結(jié)構(gòu)簡單、制造方便等。然而，這種類型的設(shè)計問題在于它傾向于導(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。
第二個是多孔金屬流場，一般由金屬泡沫制成，如圖 4（c）所示。它們通過毛細(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。
第三個是三維精細(xì)網(wǎng)狀流場結(jié)構(gòu)，如圖 4（e）所示。流場的三維結(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)空氣擴散和向陰極催化劑層的對流效果。該結(jié)構(gòu)還提供了與空氣流場分開的空隙，因此工作生成的水可以從 GDL 中抽出并通過孔排出，而不會阻擋空氣傳輸。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。這對于自增濕系統(tǒng)也很重要。
圖4. 三維網(wǎng)狀流場結(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家實驗室以及美國能源部合作開發(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，通過電化學(xué)沉積方法在 Pd 核上覆蓋了一層 Pt。經(jīng)過分析，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途徑是使用非貴金屬。盡管 Pt 的替代催化劑大多仍在實驗室研究階段，但非貴金屬催化劑可能是未來實現(xiàn) FCV 商業(yè)化的一個重要條件。對于一個成熟的市場產(chǎn)品，最大的問題并不一定是高成本本身，而是成本的不確定性。如果未來商業(yè)化的燃料電池汽車過于依賴 Pt，那對制造商來說將是潛在的威脅，因為 Pt 資源有限并且價格波動很大，在過去十年中，Pt 價格一直在 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。屆時各零部件的生產(chǎn)規(guī)?；麄€供應(yīng)鏈中具有了充足的投資回報，燃料電池汽車將在本領(lǐng)域內(nèi)具有足夠的競爭力。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)通常還只存在于實驗室中，一些技術(shù)僅基于實驗級的單電池或小型電堆進(jìn)行了驗證，那么當(dāng)單電池集成為電堆時，組件間的相互影響則極有可能帶來額外的問題。對于燃料電池汽車的商業(yè)化進(jìn)程，這些工業(yè)級量產(chǎn)化可能帶來的新問題既是挑戰(zhàn)也是新的機遇
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