快速发展的燃料电池技术

寂静天花板

氢燃料电池汽车（FCEV）的发展或许在2015 年正式开启。去年秋天，现代汽车公司向加州南部投放了一批新的Tucson 氢燃料电池车，用于车队租赁之用，一个月的租价为499 美元，包含免费的加氢服务。丰田公司去年也公布了其氢燃料电池三厢车的上市细节，预计将于2015 年在全球不同市场推出。戴姆勒和本田也有相关的新车辆计划。
) |" h4 e# |8 T' d- O& r随着零排放汽车（ZEV）法规条例逐渐推出，汽车制造商视氢燃料电池车为一种在不采用传统化石燃料情况下无需作出任何让步的解决方案。采用氢作为燃料，这种车辆排放出来的是纯水蒸气。与电池驱动车辆不同，氢燃料电池车仅需要几分钟就可以加满氢燃料，而且行驶里程与今天采用传统化石燃料的车辆相接近。但是挑战依旧，不仅来自于氢燃料汽车本身，更重要的是来自于加氢站方面。在目前仅有的几座加氢站情况下，一旦车辆数量超过一百，需求根本得不到满足。2015年之所以不同寻常是因为美国加州、日本、韩国和德国都计划建设新的加氢站。
面向消费者的量产车
8 C+ V2 ~& |3 E- t; e% u8 M更多加氢站的建设也同时宣告氢燃料原型车开发时代的终结。“比如说，加州项目的设计就是要将车辆交到普通消费者手中，而不再是为车队测试之用。他们希望大众可以将其当作一辆普通的车辆使用，不再有各种各样的限制，”Navigant Consulting 公司行业分析师Lisa Jerram 解释道。这就是说，汽车制造商要生产可靠的、续航里程长的氢燃料电池车，并以消费者支付得起的价格推向市场。采用成熟可靠的技术进行批量化生产是降低成本的必经之路。不过，就氢燃料电池来说，批量生产的时代还没有到来。也许几年后，氢燃料电池车的产量可以达到几万量，但是这个数量依然还远远达不到汽车行业的批量生产水平。
“直到今天，在少量测试性车队运营情况下，OME 根本无法享受到低成本的供应链，有些氢燃料电池零部件只能自己生产，”Jerram 解释道。去年，一些汽车制造商建立了合作关系，比如戴姆勒、福特和日产；通用和本田；以及宝马和丰田，共同开发燃料电池堆和氢储存罐等零部件，希望通过这种方式来削减成本。“OEM 希望利用这种关系来提高零部件的订单量，从而达到降低成本的目的，”她说道。丰田去年也披露了其将于今年推出的氢燃料电池的详细技术参数，并明确指出已经完全可以面向消费市场推出。
在这些技术参数中， 一项非常关键的成本因素得到了改进——丰田将其混合动力系统（Toyota Hybrid System）中的高压驱动电机移植到了燃料电池车上，替代之前的低压电机。但是这就面临一个新的问题：目前的燃料电池堆都是按低压设计的，这样系统的尺寸可以非常紧凑（电池堆小意味着电压低，反过来也一样）。问题在于如何将低电压电池与高电压电机匹配起来。解决方案是通过一个DC-DC 逆变器来提升输送到电机的电压。“我们发现，利用我们在混合动力工程方面的经验，我们在氢燃料电池车电机控制方面可以更加激进一些，”丰田北美公司动力总成系统控制总经理Justin Ward 说道。
7 t0 Z# ?4 r3 t2 n
供应商与合作
0 `; a6 N! G8 nWard 在谈到针对氢电池车开发选择供应商时，言语中透露出了谨慎。他还发表了他对车载储氢系统的独到见解——储氢也是氢燃料电池车面临的一大问题。丰田去年新推出的氢燃料电池车上采用的全新70-Mpa 储氢罐比上一代燃料电池车可以多储存20%的氢燃料。此外，这款储氢罐的储存效率（氢与罐的重量比）也提高了5.7%。“我们接触了许多储氢罐供应商，”Ward 说道。“对量产车来说，这些罐子的成本都太高了，而且每个批次的质量都不稳定。”作为一家致力于打造完善供应链而著称的全球性企业，丰田公司自己投资了工厂来生产碳纤维增强储氢罐，不仅生产节奏提高了6 倍之多，产品的质量也得到了较大幅度的提升。
这种自我开发、生产和供应的方式几乎涉及到丰田所有的技术领域。“我们大部分的工作都是在自己公司内部或者在丰田集团下属的公司内进行，”Ward 说道。“我们在燃料电池方面实力雄厚，而一旦这项技术真正要投产时，我们要确保其完全在我们的掌控之中。一旦我们对这项技术有信心，对其充分了解后，我们才会寻求供应商的帮助。”戴姆勒公司驱动系统开发燃料电池系统总监Christian Mohrdieck 博士也指出，建立一支具有竞争力的供应商队伍至关重要。
: f2 e- n4 ^) `& h' S3 Q; s( G1 E“如果一个零部件你只有一个供应商的话，你很容易会陷入供货危机，尤其当该供应商还不是来自于汽车行业，且规模较小时，”比较常见的是那些刚起步的公司，或从事新技术开发的公司，Mohrdieck 博士解释道。他继续说道：“比如说，燃料电池需要空气供应系统或空压机。市场上有很多此类的产品，比如螺杆式压气机和涡轮增压机。许多公司都对此略知一二，包括对汽车工艺非常了解的一级汽车供应商。”此外，还有许多零部件因为是通用件所以会被许多竞争对手采用，比如氢气传感器和储氢罐阀门，这些零件完全可以作为标准件开发，供应给所有燃料电池车制造商，价格也因此可以得到降低。
成本与新的进展
" X4 P& ?% i+ S高分子电解质膜（PEM）燃料电池是汽车行业中普遍采用的燃料电池，这种燃料电池的主要成本驱动因素之一是作为催化剂的铂。整个行业的发展瓶颈在于用于汽车的燃料电池所面临的双重挑战，也就是较高的成本和较低的续航能力。相比较来说，传统汽油内燃机批量生产的成本为$25-$35/kW，所以理想上看，PEM 燃料电池应该也达到相当的水平。据报道，美国能源部燃料汽车技术办公室设定了一个目标，即使燃料电池的成本最终维持在$30/kW，续航里程为5000h。能源部预测分析显示，将铂作为催化剂的话，其成本在整个系统中占比最大。
能源部的计算是建立在传统针对PEM 燃料电池的设计上的，因此现在来看可能需要重新对成本进行评估。独立能源公司ACAL Energy 通过改变车用燃料电池的基础结构成功解决了铂担量的问题。“你需要新的电池化学结构，因为目前的电池技术很难满足大批量生产对成本、性能和耐久性的要求，”ACAL Energy 公司首席商务官Brendan Bilton 说道。该公司的FlowCath 技术可以在电池的正极完全不采用铂催化剂，从而减少铂的用量。该公司称其在一次第三方汽车行业续航里程测试中对FlowCath 燃料电池进行了测试，持续运行10,000 小时后也没有发现明显的性能退化迹象。
他还声称成本也非常有吸引力。“我们采用了汽车OEM 的数据对其成本进行了估算，这些数据与能源部的完全不同，”Bilton 说道。“他们需要将每100kW 电池堆的铂担量降到10g，目前的水平是30g。在10g 的水平下，我们可以使电池成本相较传统PEM 电池下降两位数。”该公司还声称，根据电池堆设计的不同，采用该技术还可以使电池能量密度和效率最多提升50%。丰田公司也将铂担量视为丰田燃料电池车设计中一项重要的指标。丰田北美公司动力总成系统控制总经理Justin Ward 并没有透露具体的技术细节，但是他表示：“当我们有一天可以分享这些细节时，你会感到非常惊讶，我们用的铂的量会非常少。”

hc2003

电动汽车的软肋