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 年在全球不同市場推出。戴姆勒和本田也有相關(guān)的新車輛計(jì)劃,。
, C+ t* |( u! @7 x6 P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(qū)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(tǒng)化石燃料的車輛相接近。但是挑戰(zhàn)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(shù)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?yàn)槊绹�加州、日��,、韓國和德國都計(jì)劃建設(shè)新的加氫站,。
        面向消費(fèi)者的量產(chǎn)車
        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,，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,，汽車制造商要生產(chǎn)可靠的,、續(xù)航里程長的氫燃料電池車,，并以消費(fèi)者支付得起的價(jià)格推向市場,。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,，就氫燃料電池來說,，批量生產(chǎn)的時(shí)代還沒有到來,。也許幾年后，氫燃料電池車的產(chǎn)量可以達(dá)到幾萬量,，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。
“直到今天，在少量測試性車隊(duì)運(yùn)營情況下,，OME 根本無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)燃料電池堆和氫儲存罐等零部件,，希望通過這種方式來削減成本,。“OEM 希望利用這種關(guān)系來提高零部件的訂單量,，從而達(dá)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(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)——豐田將其混合動力系統(tǒng)（Toyota Hybrid System）中的高壓驅(qū)動電機(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，反過來也一樣）,。問題在于如何將低電壓電池與高電壓電機(jī)匹配起來,。解決方案是通過一個(gè)DC-DC 逆變器來提升輸送到電機(jī)的電壓�,！拔覀儼l(fā)現(xiàn),，利用我們在混合動力工程方面的經(jīng)驗(yàn)，我們在氫燃料電池車電機(jī)控制方面可以更加激進(jìn)一些,，”豐田北美公司動力總成系統(tǒng)控制總經(jīng)理Justin Ward 說道,。

供應(yīng)商與合作
* P' j& O/ p9 |# AWard 在談到針對氫電池車開發(fā)選擇供應(yīng)商時(shí)，言語中透露出了謹(jǐn)慎,。他還發(fā)表了他對車載儲氫系統(tǒng)的獨(dú)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%,。“我們接觸了許多儲氫罐供應(yīng)商,，”Ward 說道,。“對量產(chǎn)車來說,，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�,！弊鳛橐患抑铝τ诖蛟焱晟乒���(yīng)鏈而著稱的全球性企業(yè),，豐田公司自己投資了工廠來生產(chǎn)碳纖維增強(qiáng)儲氫罐，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,。
( c( t* ]! L9 z1 I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,�,！拔覀兇蟛糠值墓ぷ鞫际窃谧约汗�司��(nèi)部或者在豐田集團(tuán)下屬的公司內(nèi)進(jìn)行，”Ward 說道,�,！拔覀冊谌剂想姵胤矫鎸�(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,。一旦我們對這項(xiàng)技術(shù)有信心,，對其充分了解后，我們才會尋求供應(yīng)商的幫助,�,！贝髂防展�司��(qū)動系統(tǒng)開發(fā)燃料電池系統(tǒng)總監(jiān)Christian Mohrdieck 博士也指出，建立一支具有競爭力的供應(yīng)商隊(duì)伍至關(guān)重要,。
“如果一個(gè)零部件你只有一個(gè)供應(yīng)商的話，你很容易會陷入供貨危機(jī),，尤其當(dāng)該供應(yīng)商還不是來自于汽車行業(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)說道：“比如說,，燃料電池需要空氣供應(yīng)系統(tǒng)或空壓機(jī),。市場上有很多此類的產(chǎn)品，比如螺桿式壓氣機(jī)和渦輪增壓機(jī),。許多公司都對此略知一二,，包括對汽車工藝非常了解的一級汽車供應(yīng)商�,！贝送�,，還有許多零部件因?yàn)槭峭ㄓ眉�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(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,。
1 t3 d! ~2 W; `* K! }& m成本與新的進(jìn)展
        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,。相比較來說，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�平。�?jù)報(bào)道,，美國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PEM 燃料電池的設(shè)計(jì)上的,，因此現(xiàn)在來看可能需要重新對成本進(jìn)行評估,。獨(dú)立能源公司ACAL Energy 通過改變車用燃料電池的基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)成功解決了鉑擔(dān)量的問題�,！澳阈枰�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)對成本、性能和耐久性的要求,，”ACAL Energy 公司首席商務(wù)官Brendan Bilton 說道,。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)航里程測試中對FlowCath 燃料電池進(jìn)行了測試,，持續(xù)運(yùn)行10,000 小時(shí)后也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的性能退化跡象。
他還聲稱成本也非常有吸引力,�,！拔覀儾捎昧似�車OEM 的數(shù)據(jù)對其成本進(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),�,！痹摴�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)。豐田北美公司動力總成系統(tǒng)控制總經(jīng)理Justin Ward 并沒有透露具體的技術(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),，你會感到非常驚訝，我們用的鉑的量會非常少,�,！�
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hc2003

電動汽車的軟肋