鉅大LARGE | 點擊量：986次 | 2019年05月20日
氫燃料電池汽車的黃金時代到來
2019年氫燃料電池汽車在迎來了政策與市場的強勁東風，全國兩會期間，首次把氫能寫入政府工作報告，政府工作報告的83處修訂中指出“推進充電、加氫等設施建設”。
2019上海國際汽車展覽會上，燃料電池車方面，豐田MIRAI和現(xiàn)代NEXO悉數到場，國內上汽、東風等企業(yè)也發(fā)布了6款燃料電池汽車。相比之下，純電動車則精彩紛呈：豐田電動化“E擎”首秀，比亞迪叫板特斯拉的轎跑“漢”首秀，榮威Vision-i率先進入5G時代；北汽EX3續(xù)航里程更是達到600公里。氫燃料電池汽車的同志們是否需996，甚至007來加速突破氫燃料電池汽車關鍵技術？
解決氫燃料電池汽車商業(yè)化的關鍵技術分析
氫燃料電池汽車要成功實現(xiàn)商業(yè)化要求其采用的燃料電池動力系統(tǒng)必須在性能、壽命和成本等方面達到與傳統(tǒng)內燃機汽車相當的水平，并且與其他類型電動汽車相比具有競爭力。
1）比功率是車用燃料電池的動力輸出指標，它對燃料電池動力系統(tǒng)的小型化、輕量化以及成本影響最大。盡管從各方公布的數據來看，燃料電池堆的比功率已經達到甚至超過商業(yè)化指標要求，但進一步提升電池堆的比功率仍然是各家領先車企的主要關注點。其原因在于：①比功率的提升可以減小電池堆的外形尺寸，為燃料電池動力系統(tǒng)提供更大的自由度，有利于保證燃料電池堆得到更佳的運行狀態(tài)；②比功率的提升可以降低單位功率下電池堆材料的用量，有利于成本的降低。提高燃料電池堆額定工作電流和采用薄金屬雙極板是提升燃料電池堆比功率的主要技術路線，特別是膜電極（MEA）結構與雙極板流場結構的同步優(yōu)化能夠有效減輕燃料電池的傳質極化，讓額定工作電流的提高成為可能，使得相同尺寸電池堆的輸出功率大幅提升。另外，金屬薄板沖壓技術及表面改性技術的逐步成熟，使金屬雙極板的應用成為可能，使得具有相同輸出功率的電池堆的尺寸及重量大幅降低，由此，燃料電池堆比功率指標得到大幅提升。
符合Exic IIB T4 Gc防爆標準
充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
2）壽命是燃料電池動力系統(tǒng)實現(xiàn)車用的基本指標。目前普遍認可的要求是在性能衰減10%水平下運行5000h（乘用車，平均車速40km/h相當于20萬km）。從己有的研究結果來看，燃料電池關鍵材料及零部件，如膜電極、雙極板以及密封材料的耐久性是影響燃料電池堆壽命的關鍵因素之一。其中，高耐久性膜電極的開發(fā)得到了最多的關注。其技術難點在于：一方面，為了追求高的電輸出性能指標而采用了更薄的質子交換膜，加大了膜電極發(fā)生機械和化學衰減的風險，從而使電池壽命受到影響；另一方面，為了降低成本，要求膜電極擔載更少的貴金屬催化劑或采用復合甚至非貴金屬催化劑，這會帶來不充分或不均勻的電極反應或催化層結構的不穩(wěn)定，這同樣不利于提高燃料電池的壽命。同樣，為開發(fā)高比功率電池堆而采用的金屬雙極板的壽命問題也得到了更多關注，通過表面改性技術的開發(fā)，提高其耐蝕能力是避免金屬雙極板成為電池堆壽命制約因素的關鍵。
3）優(yōu)化系統(tǒng)結構，強化水管理，也是提高燃料電池堆耐久性的有效措施。美國UTC公司示范運行的大型客車已經成為車用燃料電池系統(tǒng)壽命考核的典型案例，截至2015年6月，在沒有更換任何部件的條件下，其在實際路況條件下運行超過19000h。另外，由于車用環(huán)境的復雜性，包括－30。C-40°C的環(huán)境溫度變化、不同運行路況變換以及空氣中多種雜質的存在等，都對電池堆壽命有非常大的影響。因此，建立不同環(huán)境條件下電池堆壽命與其結構及系統(tǒng)設計之間的相關性，實現(xiàn)對電池堆結構及系統(tǒng)設計的優(yōu)化，保證電池堆良好的運行狀態(tài)，均有利于電池堆壽命的提升。
4）成本是車用燃料電池動力系統(tǒng)開發(fā)的導向性指標。根據美國能源部估算。車用80kW燃料電池系統(tǒng)成本平均為53美元/kW（年產50萬臺前提下），其中，燃料電池堆為26美元/kW。從成本敏感性因素分析來看，膜電極的比功率、貴金屬鈾的用量以及膜成本是決定成本的關鍵因素。降低成本的主要技術路徑：首先，提高電池堆的比功率，通過研究電池堆的傳質機理，開發(fā)優(yōu)化電池堆水管理模型，并引導電池關鍵材料的設計和開發(fā)；其次，雙極板也是影響電池堆成本的重要因素，開發(fā)更為廉價的金屬材料以及簡化表面改性涂層技術是降低雙極板成本的主要研究方向。同時也要看到在目前的車用燃料電池系統(tǒng)成本中，輔助系統(tǒng)關鍵部件的成本為27美元／kW，空氣壓縮機、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、增濕器的成本是關鍵因素,開發(fā)自增濕燃料電池技術,簡化系統(tǒng)設計可以不用或者減弱對增濕器和氫氣循環(huán)系統(tǒng)的依賴。
制約我國氫燃料電池汽車的關鍵因素
目前，制約我國氫燃料電池汽車發(fā)展的瓶頸包括燃料電池耐久性問題、關鍵材料及核心零部件問題與氫供給難題等技術性制約因素。
1）燃料電池耐久性問題。以車用燃料電池的基本要求為例，轎車用燃料電池系統(tǒng)的運行壽命必須達到3000～5000h。國內相關企業(yè)氫燃料電池的穩(wěn)定壽命還在3000h左右，而國際先進技術已經可以達到5000h以上。
2）關鍵材料和核心零部件薄弱。我國燃料電池關鍵材料和部件基礎比較薄弱，如燃料電池用電催化劑、質子交換膜、炭紙等關鍵材料的開發(fā)多停留于實驗室和樣品階段，空氣壓縮機和氫氣回流泵等關鍵部件沒有產品供應，嚴重影響到我國車用燃料電池堆技術的開發(fā)進程。
3）氫氣儲存問題。我國使用的壓力為35MPa的碳纖維纏繞金屬內膽氣瓶（Ⅲ型）的儲氫密度為3.9%，通過提高壓力到70MPa可達5%；而采用碳纖維纏繞塑料內膽氣瓶（Ⅳ型）儲氫密度可以進一步提高到5.5%。我國在Ⅳ型氣瓶方面尚沒有掌握制造技術，在70MPa的Ⅲ氣瓶方面僅有研發(fā)成果，沒有產品。另外，目前正在探討和研發(fā)的另外一條路徑是有機液態(tài)儲氫，值得重視，國內有一定的研究基礎，但缺乏示范考核。
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