快速發(fā)展的燃料電池技術(shù)

寂靜天花板

氫燃料電池汽車（FCEV）的發(fā)展或許在2015 年正式開啟。去年秋天，現(xiàn)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(duì)租賃之用，一個(gè)月的租價(jià)為499 美元，包含免費(fèi)的加氫服務(wù)。豐田公司去年也公布了其氫燃料電池三廂車的上市細(xì)節(jié)，預(yù)計(jì)將于2015 年在全球不同市場(chǎng)推出。戴姆勒和本田也有相關(guān)的新車輛計(jì)劃。
隨著零排放汽車（ZEV）法規(guī)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(tǒng)化石燃料情況下無(wú)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(lái)的是純水蒸氣。與電池驅(qū)動(dòng)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(tǒng)化石燃料的車輛相接近。但是挑戰(zhàn)依舊，不僅來(lái)自于氫燃料汽車本身，更重要的是來(lái)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(shù)量超過(guò)一百，需求根本得不到滿足。2015年之所以不同尋常是因?yàn)槊绹?guó)加州、日本、韓國(guó)和德國(guó)都計(jì)劃建設(shè)新的加氫站。
        面向消費(fèi)者的量產(chǎn)車
% L! J5 z4 X' J" Z1 u# E& v        更多加氫站的建設(shè)也同時(shí)宣告氫燃料原型車開發(fā)時(shí)代的終結(jié)?！氨热缯f(shuō)，加州項(xiàng)目的設(shè)計(jì)就是要將車輛交到普通消費(fèi)者手中，而不再是為車隊(duì)測(cè)試之用。他們希望大眾可以將其當(dāng)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(yè)分析師Lisa Jerram 解釋道。這就是說(shuō)，汽車制造商要生產(chǎn)可靠的、續(xù)航里程長(zhǎng)的氫燃料電池車，并以消費(fèi)者支付得起的價(jià)格推向市場(chǎng)。采用成熟可靠的技術(shù)進(jìn)行批量化生產(chǎn)是降低成本的必經(jīng)之路。不過(guò)，就氫燃料電池來(lái)說(shuō)，批量生產(chǎn)的時(shí)代還沒(méi)有到來(lái)。也許幾年后，氫燃料電池車的產(chǎn)量可以達(dá)到幾萬(wàn)量，但是這個(gè)數(shù)量依然還遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到汽車行業(yè)的批量生產(chǎn)水平。
3 A. q8 Q/ M# K9 s  P. Y9 g“直到今天，在少量測(cè)試性車隊(duì)運(yùn)營(yíng)情況下，OME 根本無(wú)法享受到低成本的供應(yīng)鏈，有些氫燃料電池零部件只能自己生產(chǎn)，”Jerram 解釋道。去年，一些汽車制造商建立了合作關(guān)系，比如戴姆勒、福特和日產(chǎn)；通用和本田；以及寶馬和豐田，共同開發(fā)燃料電池堆和氫儲(chǔ)存罐等零部件，希望通過(guò)這種方式來(lái)削減成本?！癘EM 希望利用這種關(guān)系來(lái)提高零部件的訂單量，從而達(dá)到降低成本的目的，”她說(shuō)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(xì)技術(shù)參數(shù)，并明確指出已經(jīng)完全可以面向消費(fèi)市場(chǎng)推出。
在這些技術(shù)參數(shù)中， 一項(xiàng)非常關(guān)鍵的成本因素得到了改進(jìn)——豐田將其混合動(dòng)力系統(tǒng)（Toyota Hybrid System）中的高壓驅(qū)動(dòng)電機(jī)移植到了燃料電池車上，替代之前的低壓電機(jī)。但是這就面臨一個(gè)新的問(wèn)題：目前的燃料電池堆都是按低壓設(shè)計(jì)的，這樣系統(tǒng)的尺寸可以非常緊湊（電池堆小意味著電壓低，反過(guò)來(lái)也一樣）。問(wèn)題在于如何將低電壓電池與高電壓電機(jī)匹配起來(lái)。解決方案是通過(guò)一個(gè)DC-DC 逆變器來(lái)提升輸送到電機(jī)的電壓?！拔覀儼l(fā)現(xiàn)，利用我們?cè)诨旌蟿?dòng)力工程方面的經(jīng)驗(yàn)，我們?cè)跉淙剂想姵剀囯姍C(jī)控制方面可以更加激進(jìn)一些，”豐田北美公司動(dòng)力總成系統(tǒng)控制總經(jīng)理Justin Ward 說(shuō)道。

供應(yīng)商與合作
Ward 在談到針對(duì)氫電池車開發(fā)選擇供應(yīng)商時(shí)，言語(yǔ)中透露出了謹(jǐn)慎。他還發(fā)表了他對(duì)車載儲(chǔ)氫系統(tǒng)的獨(dú)到見解——儲(chǔ)氫也是氫燃料電池車面臨的一大問(wèn)題。豐田去年新推出的氫燃料電池車上采用的全新70-Mpa 儲(chǔ)氫罐比上一代燃料電池車可以多儲(chǔ)存20%的氫燃料。此外，這款儲(chǔ)氫罐的儲(chǔ)存效率（氫與罐的重量比）也提高了5.7%?！拔覀兘佑|了許多儲(chǔ)氫罐供應(yīng)商，”Ward 說(shuō)道?！皩?duì)量產(chǎn)車來(lái)說(shuō)，這些罐子的成本都太高了，而且每個(gè)批次的質(zhì)量都不穩(wěn)定。”作為一家致力于打造完善供應(yīng)鏈而著稱的全球性企業(yè)，豐田公司自己投資了工廠來(lái)生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)儲(chǔ)氫罐，不僅生產(chǎn)節(jié)奏提高了6 倍之多，產(chǎn)品的質(zhì)量也得到了較大幅度的提升。
這種自我開發(fā)、生產(chǎn)和供應(yīng)的方式幾乎涉及到豐田所有的技術(shù)領(lǐng)域。“我們大部分的工作都是在自己公司內(nèi)部或者在豐田集團(tuán)下屬的公司內(nèi)進(jìn)行，”Ward 說(shuō)道?！拔覀?cè)谌剂想姵胤矫鎸?shí)力雄厚，而一旦這項(xiàng)技術(shù)真正要投產(chǎn)時(shí)，我們要確保其完全在我們的掌控之中。一旦我們對(duì)這項(xiàng)技術(shù)有信心，對(duì)其充分了解后，我們才會(huì)尋求供應(yīng)商的幫助?！贝髂防展掘?qū)動(dòng)系統(tǒng)開發(fā)燃料電池系統(tǒng)總監(jiān)Christian Mohrdieck 博士也指出，建立一支具有競(jìng)爭(zhēng)力的供應(yīng)商隊(duì)伍至關(guān)重要。
! N, M4 s% z$ M7 O“如果一個(gè)零部件你只有一個(gè)供應(yīng)商的話，你很容易會(huì)陷入供貨危機(jī)，尤其當(dāng)該供應(yīng)商還不是來(lái)自于汽車行業(yè)，且規(guī)模較小時(shí)，”比較常見的是那些剛起步的公司，或從事新技術(shù)開發(fā)的公司，Mohrdieck 博士解釋道。他繼續(xù)說(shuō)道：“比如說(shuō)，燃料電池需要空氣供應(yīng)系統(tǒng)或空壓機(jī)。市場(chǎng)上有很多此類的產(chǎn)品，比如螺桿式壓氣機(jī)和渦輪增壓機(jī)。許多公司都對(duì)此略知一二，包括對(duì)汽車工藝非常了解的一級(jí)汽車供應(yīng)商?！贝送猓€有許多零部件因?yàn)槭峭ㄓ眉詴?huì)被許多競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手采用，比如氫氣傳感器和儲(chǔ)氫罐閥門，這些零件完全可以作為標(biāo)準(zhǔn)件開發(fā)，供應(yīng)給所有燃料電池車制造商，價(jià)格也因此可以得到降低。
成本與新的進(jìn)展
: D+ [# w. j. x. J( y8 R        高分子電解質(zhì)膜（PEM）燃料電池是汽車行業(yè)中普遍采用的燃料電池，這種燃料電池的主要成本驅(qū)動(dòng)因素之一是作為催化劑的鉑。整個(gè)行業(yè)的發(fā)展瓶頸在于用于汽車的燃料電池所面臨的雙重挑戰(zhàn)，也就是較高的成本和較低的續(xù)航能力。相比較來(lái)說(shuō)，傳統(tǒng)汽油內(nèi)燃機(jī)批量生產(chǎn)的成本為$25-$35/kW，所以理想上看，PEM 燃料電池應(yīng)該也達(dá)到相當(dāng)?shù)乃?。?jù)報(bào)道，美國(guó)能源部燃料汽車技術(shù)辦公室設(shè)定了一個(gè)目標(biāo)，即使燃料電池的成本最終維持在$30/kW，續(xù)航里程為5000h。能源部預(yù)測(cè)分析顯示，將鉑作為催化劑的話，其成本在整個(gè)系統(tǒng)中占比最大。
能源部的計(jì)算是建立在傳統(tǒng)針對(duì)PEM 燃料電池的設(shè)計(jì)上的，因此現(xiàn)在來(lái)看可能需要重新對(duì)成本進(jìn)行評(píng)估。獨(dú)立能源公司ACAL Energy 通過(guò)改變車用燃料電池的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成功解決了鉑擔(dān)量的問(wèn)題。“你需要新的電池化學(xué)結(jié)構(gòu)，因?yàn)槟壳暗碾姵丶夹g(shù)很難滿足大批量生產(chǎn)對(duì)成本、性能和耐久性的要求，”ACAL Energy 公司首席商務(wù)官Brendan Bilton 說(shuō)道。該公司的FlowCath 技術(shù)可以在電池的正極完全不采用鉑催化劑，從而減少鉑的用量。該公司稱其在一次第三方汽車行業(yè)續(xù)航里程測(cè)試中對(duì)FlowCath 燃料電池進(jìn)行了測(cè)試，持續(xù)運(yùn)行10,000 小時(shí)后也沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯的性能退化跡象。
5 @/ [0 q( j$ V6 c: F) X他還聲稱成本也非常有吸引力?！拔覀儾捎昧似嘜EM 的數(shù)據(jù)對(duì)其成本進(jìn)行了估算，這些數(shù)據(jù)與能源部的完全不同，”Bilton 說(shuō)道。“他們需要將每100kW 電池堆的鉑擔(dān)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(tǒng)PEM 電池下降兩位數(shù)。”該公司還聲稱，根據(jù)電池堆設(shè)計(jì)的不同，采用該技術(shù)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(dān)量視為豐田燃料電池車設(shè)計(jì)中一項(xiàng)重要的指標(biāo)。豐田北美公司動(dòng)力總成系統(tǒng)控制總經(jīng)理Justin Ward 并沒(méi)有透露具體的技術(shù)細(xì)節(jié)，但是他表示：“當(dāng)我們有一天可以分享這些細(xì)節(jié)時(shí)，你會(huì)感到非常驚訝，我們用的鉑的量會(huì)非常少?！?br /> ( F* h( o, C$ ^  Q% c0 x

hc2003

電動(dòng)汽車的軟肋