快速發(fā)展的燃料電池技術

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(jié)，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。
& _1 L6 R6 e  i# W1 s* g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為美國加州、日本、韓國和德國都計劃建設新的加氫站。
; `; R( X  u: Y6 x, o        面向消費者的量產(chǎn)車
9 y$ y- b8 U1 C7 }! w1 O, I8 Q4 R' v9 g        更多加氫站的建設也同時宣告氫燃料原型車開發(fā)時代的終結(jié)。“比如說，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(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(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)的時代還沒有到來。也許幾年后，氫燃料電池車的產(chǎn)量可以達到幾萬量，但是這個數(shù)量依然還遠遠達不到汽車行業(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(chǎn)，”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(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(shù)，并明確指出已經(jīng)完全可以面向消費市場推出。
5 f% \* `# ~. l1 c/ f: o在這些技術參數(shù)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(tǒng)（Toyota Hybrid System）中的高壓驅(qū)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(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。“我們發(fā)現(xiàn)，利用我們在混合動力工程方面的經(jīng)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(tǒng)控制總經(jīng)理Justin Ward 說道。
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供應商與合作
  h, c9 s4 K; Q9 f+ T' [. AWard 在談到針對氫電池車開發(fā)選擇供應商時，言語中透露出了謹慎。他還發(fā)表了他對車載儲氫系統(tǒng)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%。“我們接觸了許多儲氫罐供應商，”Ward 說道。“對量產(chǎn)車來說，這些罐子的成本都太高了，而且每個批次的質(zhì)量都不穩(wěn)定。”作為一家致力于打造完善供應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。
+ z. U; P) B, W$ S, f) C1 c! r這種自我開發(fā)、生產(chǎn)和供應的方式幾乎涉及到豐田所有的技術領域。“我們大部分的工作都是在自己公司內(nèi)部或者在豐田集團下屬的公司內(nèi)進行，”Ward 說道。“我們在燃料電池方面實力雄厚，而一旦這項技術真正要投產(chǎn)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。”戴姆勒公司驅(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商隊伍至關重要。
/ a, e" R1 D9 W: t2 b: X“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(yè)，且規(guī)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(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系統(tǒng)或空壓機。市場上有很多此類的產(chǎn)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(fā)，供應給所有燃料電池車制造商，價格也因此可以得到降低。
成本與新的進展
        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)燃機批量生產(chǎn)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?shù)乃健?jù)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(xù)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(tǒng)中占比最大。
" ]8 X! D, y( Z( m- G" |能源部的計算是建立在傳統(tǒng)針對PEM 燃料電池的設計上的，因此現(xiàn)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(jié)構(gòu)成功解決了鉑擔量的問題。“你需要新的電池化學結(jié)構(gòu)，因為目前的電池技術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(yè)續(xù)航里程測試中對FlowCath 燃料電池進行了測試，持續(xù)運行10,000 小時后也沒有發(fā)現(xiàn)明顯的性能退化跡象。
! y+ x! Q4 J: T9 x; \# A1 k他還聲稱成本也非常有吸引力。“我們采用了汽車OEM 的數(shù)據(jù)對其成本進行了估算，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(tǒng)控制總經(jīng)理Justin Ward 并沒有透露具體的技術細節(jié)，但是他表示：“當我們有一天可以分享這些細節(jié)時，你會感到非常驚訝，我們用的鉑的量會非常少。”

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電動汽車的軟肋