2040年日本燃料電池技術動態(tài)

　　NEDO(日本新能源產業(yè)技術綜合開發(fā)機構)發(fā)布了2040年日本國內的燃料電池目標計劃，全部目標包括：峰值功率工作電壓0.85V、電堆功率密度9kW/L、最大工作溫度120℃、耐久性大于15年、續(xù)航里程1000km、燃料電池堆成本1000日元/kW。

　　峰值功率工作電壓0.85V

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆最大負荷處對應的工作電壓為0.85V@4.4A/cm2。下圖為日本NEDO在2017年發(fā)布的2040年燃料電池堆棧性能路線圖，其中2030年目標峰值功率工作電壓為0.66V@3.8A/cm2，催化劑擔載量0.05~0.1g/kW，0.2A/cm2電流密度對應電壓0.84V；2040年目標峰值功率工作電壓為0.85V@4.4A/cm2，催化劑擔載量0.03g/kW，0.2A/cm2電流密度對應電壓1.1V。

　　日本燃料電池堆性能路線圖(NEDO)

　　為獲得更高功率，提升燃料電池單電池電壓是最基本的途徑，但會導致陰極電位增加，形成高電位(>0.85V)。在眾多影響燃料電池壽命的因素中，高電位造成陰極催化劑衰減被認為是造成電堆性能衰減的主要因素。高電位會加劇催化劑氧化物的形成，不僅會降低催化劑Pt顆粒的活性，還會加劇Pt顆粒的降解。

　　此外，高電位存在的條件下，載體碳材料容易被氧化，從而將Pt顆粒與碳載體之間的結合力減弱，使Pt顆粒脫落，導致催化劑顆粒在電解質中融解，影響催化性能。更嚴重的是剝離后的Pt顆粒通過電解質或粘接劑結合在一起，使得電解質阻值增大。因此，開發(fā)價格低廉、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑顯得尤為重要。有關催化劑衰減機理解釋，可參考『燃料電池干貨』推出的豐田如何實時監(jiān)測燃料電池催化劑衰減。

　　電堆功率密度9kW/L

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆功率密度目標值為9kW/L。目前日本國內，豐田和本田均已推出搭載峰值功率密度3.1kW/L電堆的燃料電池汽車。但對比燃料電池動力系統(tǒng)和燃油發(fā)動機體積可以看出，有必要進一步提高燃料電池堆功率密度。

　　本田燃料電池動力系統(tǒng)與燃油發(fā)動機對比

　　以本田為例，其最新一代燃料電池汽車Clarity動力系統(tǒng)體積與V6 3.5L燃油發(fā)動機基本相當，但電堆峰值功率為103kW，僅為V6 3.5L燃油發(fā)動機的一半。如果日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆目標功率密度9kW/L可以實現(xiàn)，屆時(2040年)燃料電池汽車動力系統(tǒng)功率密度有望超過燃油發(fā)動機，真正實現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車抗衡。

　　提高燃料電池堆棧功率密度可以從高活性催化劑、增強復合質子交換膜、高擾動流場、導電耐腐蝕薄金屬雙極板、電堆組裝與一致性等方面考慮。

　　功率密度針對燃料電池堆使用場合較多，定義為燃料電池堆的峰值功率除以燃料電池堆的體積(或質量)。由于燃料電池堆體積(或質量)定義差別較大，通常燃料電池堆功率密度可分為四層級別，分別為：活性面積層、電池組層、端板層和外殼層。

　　最大工作溫度120℃

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆最大工作溫度目標值為120℃。目前，日本豐田和本田燃料電池堆工作溫度區(qū)間為75~80℃，電堆冷卻液進出口溫差在7~15℃。

　　和傳統(tǒng)發(fā)動機類似，燃料電池堆在工作狀態(tài)下會釋放大量熱量，需及時通過冷卻系統(tǒng)向外界散熱，以使燃料電池堆工作在合理溫度區(qū)間。由傳統(tǒng)發(fā)動機知識可得，燃料電池堆工作越高(溫差越大)，散熱能力越強(cmδT=Q)。

　　此外，通過提高單體電壓至0.85V以上，大大減少電化學反應過程中產生的熱量，從源頭上減少熱量產生。因此，通過提高單體電壓(>0.85V)和電池工作溫度(120℃)，足以相信屆時燃料電池溫度將輕松可控可調。

　　耐久性>15年

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池汽車壽命超過15年。其中，燃料電池乘用車壽命超15萬km，燃料電池大巴壽命超75萬km，燃料電池列車壽命超100萬km。

　　質子交換膜燃料電池耐久性與其每個部件息息相關，如質子交換膜、催化層、氣體擴散層和雙極板。質子交換膜的降解機制通常有兩種：機械降解和化學降解。機械降解指質子交換膜工作濕度不斷發(fā)生變化，內部產生較大的內應力，在周期性變化內應力作用下，質子交換膜強度會降低，甚至形成孔洞，嚴重降低壽命?；瘜W降解是燃料電池在怠速和開路狀態(tài)下，電池內部形成大量H2O2，如果電池內部存在一些過渡金屬二價離子，在催化作用下，H2O2會轉變成活性很強的基團，加速膜降解。

　　由于陰極催化層電勢要比陽極高，大多數(shù)情況下陰極催化層電化學環(huán)境要比陽極催化層惡劣，因此陰極催化層更容易降解。通常催化層是由Pt/C催化劑和一定量的Nafion粘結而成，因此催化層降解主要指Pt/C催化劑降解和Nafion降解。碳載Pt催化劑的降解通常有四種機制：微晶遷移合并機制、電化學熟化機制、Pt融解且在離子導體中再沉積機制、碳腐蝕機制。催化層Nafion和質子交換膜組成、結構相似，因此降解機制和質子膜類似。

　　氣體擴散層通常由擴散層基質和微孔層組成。擴散層基質通常由碳纖維或碳布經疏水處理形成；微孔層由碳粉通過PTFE溶液粘結而成。通常認為氣體擴撒層的降解機制有兩種：機械降解和電化學降解。機械降解是在機械應力、氣體和水沖蝕等作用下，PTFE脫落降低疏水性影響水氣傳輸性能，同時微孔層孔徑可能發(fā)生變化甚至部分脫落。電化學降解是高電勢條件下，氣體擴散層基質中的碳纖維和微孔層中的碳顆粒發(fā)生氧化腐蝕，改變組成和結構，影響性能和降低耐久性。

　　續(xù)航里程>1000km

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池汽車續(xù)航里程超過1000km。目前，日本豐田Mirai和本田Clarity兩款燃料電池汽車滿載儲氫質量都為5kg(70Mpa)，在JC08工況下續(xù)航里程分別為650km、750km(豐田Mirai滿載儲氫容積122.4L，本田Clarity滿載儲氫容積141L)。

　　燃料電池汽車的續(xù)航里程主要和氫氣儲存壓力和體積相關。“燃料電池干貨”了解到，在目前國際主流燃料電池汽車已實現(xiàn)續(xù)航里程700-800公里的前提下，屆時1000km公里續(xù)航里程并不難。

　　燃料電池堆成本1000JPY/kW

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆成本目標值為1000日元/kW，燃料電池系統(tǒng)成本目標值為2000日元/kW，氫瓶成本目標值為10萬日元(注：上述成本目標值均建立在年產量50萬套前提下)。

　　燃料電池汽車目前最大的課題是燃料電池組等專用部件的價格尚高，豐田與本田的燃料電池汽車低成本方向略顯不同。豐田低成本方向是與旗下混合動力汽車共享電動部件，本田則是與旗下插電式汽車(PHEV)共用底盤。

　　豐田混合動力汽車年銷量超過100萬，通過在燃料電池汽車中運用HEV的部件量產效應來降低成本。如驅動馬達及逆變器采用了與車型級別接近的“雷克薩斯RX450h”相同的產品，鎳氫電池則采用了與中型轎車“凱美瑞”相同的產品。注意，豐田沒有讓Mirai與PHEV共用底盤，原因是2015年底導入的跨越車型級別可以共用部件的豐田TNGA(豐田新型全球架構)是從第四代普銳斯開始采用，Mirai問世比第四代普銳斯早一步。

　　本田Clarity燃料電池汽車底盤

　　本田燃料電池汽車采用的戰(zhàn)略是通過與旗下PHEV共用底盤來降低成本。PHEV用底盤，除了能將電池鋪設在地板下方之外，后座下面的氫罐也可以換成郵箱。當然，本田FCV還實現(xiàn)了電動部件的通用化，如鋰電池組與旗下雅閣車型通用，驅動馬達與飛度EV通用。