豐田來中國兜售燃料電池汽車技術(shù)，憑什么？

圖1 豐田燃料電池大巴

近期，豐田汽車再叩中國門：向北汽福田提供氫燃料電池技術(shù)和零部件，和清華大學(xué)成立燃料電池研究院，在清華舉辦校園行，連王傳福、徐留平、曾慶洪等大佬都去觀摩。

豐田確實在燃料電池車（FCV）技術(shù)研究上領(lǐng)先全球，那么它到底牛在哪兒？本文嘗試為大家做一些解答。

1、催化劑金貴，怎么用？

催化劑是氫燃料電池發(fā)電的必需材料。氫、氧氣只有在催化劑作用下，才能發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，分解出電子。

雖然現(xiàn)在有很多非貴金屬催化劑的研究，但是商用催化劑仍以鉑碳催化劑做為主流。其結(jié)構(gòu)是以碳作為載體，將貴金屬鉑依附在載體之上，有的會根據(jù)要求少量摻雜一些鈷、釕等金屬元素。

氫能和燃料電池專家衣寶廉院士指出：燃料電池汽車鉑用量如果低于燃油車中三元催化的鉑用量，此時鉑將不再是制約燃料電池發(fā)展的瓶頸。意思就是，催化劑用得越少越好。根據(jù)美國能源部的標準，燃料電池催化劑鉑載量2020年的目標是不大于0．125g／kW，未來將降到0．05g／kW。

在此，我想糾正一個觀點。催化劑對燃料電池的制約并非就是成本因素，而可能是供應(yīng)能力。

目前40％左右的鉑碳催化劑在國際市場上每克在20～30美元左右。如果按照0．25g／kW的鉑載量計算，催化劑的成本約為19美元／kW ，而目前電堆的成本約為5000～10000元人民幣／kW，催化劑的成本只占其中的3～5％。

雖然催化劑在電堆中成本的占比并不太高，但現(xiàn)實情況是鉑是一種資源限制型的元素。我從供貨商處了解到，目前訂購鉑催化劑的交貨期已經(jīng)在半年以上。未來短期內(nèi)的價格上漲，貨源緊俏，則是大概率事件，可能買不到比漲價更加致命。雖然有人認為未來鉑可以通過從退役燃料電池中回收的方式循環(huán)使用，但這其中至少存在著兩個隱含假設(shè)：第一，燃料電池已經(jīng)具備一定的規(guī)模，第二，不考慮鉑在使用過程中的流失。

因此，鉑載量的控制將是未來燃料電池技術(shù)戰(zhàn)的主戰(zhàn)場，如何減少鉑載量，增加鉑催化劑的壽命，是未來燃料電池從業(yè)者中重要任務(wù)。

圖2 燃料電池工作曲線

圖2是燃料電池工作時的功率、電壓與電流密度之間的關(guān)系。從圖中可以看出，燃料電池在輸出功率增加的過程中，電壓會隨之降低。而電壓的變化，是影響燃料電池鉑催化劑性能及壽命的重要指標。

我要簡述一下機理。首先，鉑催化劑具有高電位溶解、低電位重新析出的特性。其次，如果電堆在很低電位下運行，鉑表面的氧化膜會消失，進而暴露出金屬鉑。如果此時迅速升高電壓，金屬鉑更容易溶解。在不斷的溶解和析出的過程中，不但可能造成鉑流失，而且鉑的顆粒度也會長大。長大的鉑比表面積會降低，也就是說供氫氧反應(yīng)的場所減少了，造成反應(yīng)阻力增加，電堆性能下降。這是目前已知的電堆性能下降的重要的機理之一。

圖3 催化劑（陰極）衰減過程示意圖

本段結(jié)論：頻繁的電壓變化，會使燃料單池性能下降。因此控制電壓，將電壓限定在安全范圍，是燃料電池系統(tǒng)的重要任務(wù)。

2、并聯(lián)混動系統(tǒng)，減少催化劑衰減

要控制電壓，將電壓限定在安全范圍，解決方案是利用混動系統(tǒng)。混動系統(tǒng)雖然不能限制負載的大小，但是可以有效控制燃料電池電堆出力的波動范圍。

燃料電池的混動系統(tǒng)，一般由燃料電池和蓄電池成。常用的蓄電池一般是鋰離子電池或鎳氫電池。

國內(nèi)常見的混動系統(tǒng)是增程式的“串聯(lián)”結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)中，實際驅(qū)動電機工作的是蓄電池，而燃料電池，只以相對穩(wěn)定的輸出，為蓄電池充電。實際電池的輸出功率僅由蓄電池提供。

豐田燃料電池管理系統(tǒng)，由電池和燃料分別驅(qū)動電機和發(fā)動機協(xié)同工作，是一種“并聯(lián)”結(jié)構(gòu)。也就是說電機的功率由燃料電池和一套（鎳氫）蓄電池共同提供。

那么，豐田的動力分配控制策略是怎樣的呢？

圖4 燃料電池混合動力系統(tǒng)控制策略示意圖（圖片參考SAE資料繪制）

圖4展示了豐田電池管理的控制策略。最左側(cè)、藍色區(qū)域為汽車的小功率輸出階段，此階段，燃料電池為系統(tǒng)中的主要動力來源。等汽車需求功率進一步上升，進入紅色區(qū)域時，燃料電池的單體電壓被限制到0．7V，即燃料電池的第一階段保護電壓，輸出功率不再增加。電機所需功率不足部分，由蓄電池補足。如果汽車持續(xù)高功率運行，進入綠色區(qū)域，蓄電池剩余電量不足時，燃料電池的輸出功率將重新增加，單體電壓從0．7V下降到0．6V，達到第二階段的保護電壓。

當(dāng)汽車動力需求下降時，蓄電池停止工作，燃料電池轉(zhuǎn)為為蓄電池補充電量，控制電壓按規(guī)定速度上升。整套燃料電池混動系統(tǒng)中，燃料電池是輸出的主體，功率瞬間的變化由蓄電池加以調(diào)節(jié)，以保證燃料電池工作電壓變化區(qū)間和變化速度，從而保證催化劑的壽命。

由此，現(xiàn)在豐田汽車鉑使用量已經(jīng)下降到了每輛大約20克。根據(jù)清華大學(xué)教授李建秋介紹，豐田還在不斷降低催化劑用量。新一代FC發(fā)動機100kW鉑用量將小于10g。

其實這套并聯(lián)式系統(tǒng)的設(shè)計，并沒有想象中復(fù)雜，為什么國內(nèi)企業(yè)都不選呢？直觀原因有二：第一，控制的動態(tài)響應(yīng)水平達不到要求。第二，燃料電池系統(tǒng)的故障率太高。因此，大家使用增程式方案，盡快降低系統(tǒng)控制難度，提高穩(wěn)定性。

我認為，可能還存在著另外一個原因：選用增程式方案，也許是一種無奈之舉。首先，國內(nèi)商用的燃料電池電堆功率無法獨立支撐汽車的運行。如果返回到圖4的位置，就是藍色區(qū)域燃料電池的可輸出功率太低了，蓄電池要過早介入，因此，很難形成“燃電為主，蓄電補充”的結(jié)構(gòu)。其次，就是與之配套輔助設(shè)備還達不到大功率單堆的要求，比如空氣壓縮機。