快速發展的燃料電池技術

寂靜天花板

氫燃料電池汽車（FCEV）的發展或許在2015 年正式開啟。去年秋天，現代汽車公司向加州南部投放了一批新的Tucson 氫燃料電池車，用于車隊租賃之用，一個月的租價為499 美元，包含免費的加氫服務。豐田公司去年也公布了其氫燃料電池三廂車的上市細節，預計將于2015 年在全球不同市場推出。戴姆勒和本田也有相關的新車輛計劃。
隨著零排放汽車（ZEV）法規條例逐漸推出，汽車制造商視氫燃料電池車為一種在不采用傳統化石燃料情況下無需作出任何讓步的解決方案。采用氫作為燃料，這種車輛排放出來的是純水蒸氣。與電池驅動車輛不同，氫燃料電池車僅需要幾分鐘就可以加滿氫燃料，而且行駛里程與今天采用傳統化石燃料的車輛相接近。但是挑戰依舊，不僅來自于氫燃料汽車本身，更重要的是來自于加氫站方面。在目前僅有的幾座加氫站情況下，一旦車輛數量超過一百，需求根本得不到滿足。2015年之所以不同尋常是因為美國加州、日本、韓國和德國都計劃建設新的加氫站。
6 t# @/ `3 z5 [3 F        面向消費者的量產車
4 M4 L0 y% J, M        更多加氫站的建設也同時宣告氫燃料原型車開發時代的終結?！氨热缯f，加州項目的設計就是要將車輛交到普通消費者手中，而不再是為車隊測試之用。他們希望大眾可以將其當作一輛普通的車輛使用，不再有各種各樣的限制，”Navigant Consulting 公司行業分析師Lisa Jerram 解釋道。這就是說，汽車制造商要生產可靠的、續航里程長的氫燃料電池車，并以消費者支付得起的價格推向市場。采用成熟可靠的技術進行批量化生產是降低成本的必經之路。不過，就氫燃料電池來說，批量生產的時代還沒有到來。也許幾年后，氫燃料電池車的產量可以達到幾萬量，但是這個數量依然還遠遠達不到汽車行業的批量生產水平。
“直到今天，在少量測試性車隊運營情況下，OME 根本無法享受到低成本的供應鏈，有些氫燃料電池零部件只能自己生產，”Jerram 解釋道。去年，一些汽車制造商建立了合作關系，比如戴姆勒、福特和日產；通用和本田；以及寶馬和豐田，共同開發燃料電池堆和氫儲存罐等零部件，希望通過這種方式來削減成本?！癘EM 希望利用這種關系來提高零部件的訂單量，從而達到降低成本的目的，”她說道。豐田去年也披露了其將于今年推出的氫燃料電池的詳細技術參數，并明確指出已經完全可以面向消費市場推出。
* v9 D, M2 }' I在這些技術參數中， 一項非常關鍵的成本因素得到了改進——豐田將其混合動力系統（Toyota Hybrid System）中的高壓驅動電機移植到了燃料電池車上，替代之前的低壓電機。但是這就面臨一個新的問題：目前的燃料電池堆都是按低壓設計的，這樣系統的尺寸可以非常緊湊（電池堆小意味著電壓低，反過來也一樣）。問題在于如何將低電壓電池與高電壓電機匹配起來。解決方案是通過一個DC-DC 逆變器來提升輸送到電機的電壓?！拔覀儼l現，利用我們在混合動力工程方面的經驗，我們在氫燃料電池車電機控制方面可以更加激進一些，”豐田北美公司動力總成系統控制總經理Justin Ward 說道。

供應商與合作
$ Y3 L3 ?/ v& ~( T& [) D/ ]; z4 L5 tWard 在談到針對氫電池車開發選擇供應商時，言語中透露出了謹慎。他還發表了他對車載儲氫系統的獨到見解——儲氫也是氫燃料電池車面臨的一大問題。豐田去年新推出的氫燃料電池車上采用的全新70-Mpa 儲氫罐比上一代燃料電池車可以多儲存20%的氫燃料。此外，這款儲氫罐的儲存效率（氫與罐的重量比）也提高了5.7%?！拔覀兘佑|了許多儲氫罐供應商，”Ward 說道?！皩α慨a車來說，這些罐子的成本都太高了，而且每個批次的質量都不穩定?！弊鳛橐患抑铝τ诖蛟焱晟乒湺Q的全球性企業，豐田公司自己投資了工廠來生產碳纖維增強儲氫罐，不僅生產節奏提高了6 倍之多，產品的質量也得到了較大幅度的提升。
這種自我開發、生產和供應的方式幾乎涉及到豐田所有的技術領域?！拔覀兇蟛糠值墓ぷ鞫际窃谧约汗緝炔炕蛘咴谪S田集團下屬的公司內進行，”Ward 說道?！拔覀冊谌剂想姵胤矫鎸嵙π酆?，而一旦這項技術真正要投產時，我們要確保其完全在我們的掌控之中。一旦我們對這項技術有信心，對其充分了解后，我們才會尋求供應商的幫助?！贝髂防展掘寗酉到y開發燃料電池系統總監Christian Mohrdieck 博士也指出，建立一支具有競爭力的供應商隊伍至關重要。
% o- i  T. |/ u" F/ C  b* u* W“如果一個零部件你只有一個供應商的話，你很容易會陷入供貨危機，尤其當該供應商還不是來自于汽車行業，且規模較小時，”比較常見的是那些剛起步的公司，或從事新技術開發的公司，Mohrdieck 博士解釋道。他繼續說道：“比如說，燃料電池需要空氣供應系統或空壓機。市場上有很多此類的產品，比如螺桿式壓氣機和渦輪增壓機。許多公司都對此略知一二，包括對汽車工藝非常了解的一級汽車供應商。”此外，還有許多零部件因為是通用件所以會被許多競爭對手采用，比如氫氣傳感器和儲氫罐閥門，這些零件完全可以作為標準件開發，供應給所有燃料電池車制造商，價格也因此可以得到降低。
% Q% e1 M* v- \) n1 W( T成本與新的進展
        高分子電解質膜（PEM）燃料電池是汽車行業中普遍采用的燃料電池，這種燃料電池的主要成本驅動因素之一是作為催化劑的鉑。整個行業的發展瓶頸在于用于汽車的燃料電池所面臨的雙重挑戰，也就是較高的成本和較低的續航能力。相比較來說，傳統汽油內燃機批量生產的成本為$25-$35/kW，所以理想上看，PEM 燃料電池應該也達到相當的水平。據報道，美國能源部燃料汽車技術辦公室設定了一個目標，即使燃料電池的成本最終維持在$30/kW，續航里程為5000h。能源部預測分析顯示，將鉑作為催化劑的話，其成本在整個系統中占比最大。
  {- T/ @5 i+ {4 n) I6 [能源部的計算是建立在傳統針對PEM 燃料電池的設計上的，因此現在來看可能需要重新對成本進行評估。獨立能源公司ACAL Energy 通過改變車用燃料電池的基礎結構成功解決了鉑擔量的問題。“你需要新的電池化學結構，因為目前的電池技術很難滿足大批量生產對成本、性能和耐久性的要求，”ACAL Energy 公司首席商務官Brendan Bilton 說道。該公司的FlowCath 技術可以在電池的正極完全不采用鉑催化劑，從而減少鉑的用量。該公司稱其在一次第三方汽車行業續航里程測試中對FlowCath 燃料電池進行了測試，持續運行10,000 小時后也沒有發現明顯的性能退化跡象。
5 t1 W- m" I' {' ~8 b他還聲稱成本也非常有吸引力。“我們采用了汽車OEM 的數據對其成本進行了估算，這些數據與能源部的完全不同，”Bilton 說道?！八麄冃枰獙⒚?00kW 電池堆的鉑擔量降到10g，目前的水平是30g。在10g 的水平下，我們可以使電池成本相較傳統PEM 電池下降兩位數?！痹摴具€聲稱，根據電池堆設計的不同，采用該技術還可以使電池能量密度和效率最多提升50%。豐田公司也將鉑擔量視為豐田燃料電池車設計中一項重要的指標。豐田北美公司動力總成系統控制總經理Justin Ward 并沒有透露具體的技術細節，但是他表示：“當我們有一天可以分享這些細節時，你會感到非常驚訝，我們用的鉑的量會非常少?！?font class="jammer">0 X# R2 y6 U; V$ s7 J4 o

hc2003

電動汽車的軟肋