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日本2040年燃料电池技术动态:电堆功率密度9kW/L 最大工作温度120℃ 耐久性15年

   日期:2019-08-06     来源:燃料电池干货FuelcellPhd    作者:燃料电池博士    浏览:946    评论:0    
核心提示:NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构)发布了2040年日本国内的燃料电池目标计划,全部目标包括:峰值功率工作电压0.85V、电堆功
 NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构)发布了2040年日本国内的燃料电池目标计划,全部目标包括:峰值功率工作电压0.85V、电堆功率密度9kW/L、最大工作温度120℃、耐久性大于15年、续航里程1000km、燃料电池堆成本1000日元/kW。
 
 
 
峰值功率工作电压0.85V
 
日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆最大负荷处对应的工作电压为0.85V@4.4A/cm2。下图为日本NEDO在2017年发布的2040年燃料电池堆栈性能路线图,其中2030年目标峰值功率工作电压为0.66V@3.8A/cm2,催化剂担载量0.05~0.1g/kW,0.2A/cm2电流密度对应电压0.84V;2040年目标峰值功率工作电压为0.85V@4.4A/cm2,催化剂担载量0.03g/kW,0.2A/cm2电流密度对应电压1.1V。
 
日本燃料电池堆性能路线图(NEDO)
 
 
为获得更高功率,提升燃料电池单电池电压是最基本的途径,但会导致阴极电位增加,形成高电位(>0.85V)。在众多影响燃料电池寿命的因素中,高电位造成阴极催化剂衰减被认为是造成电堆性能衰减的主要因素。高电位会加剧催化剂氧化物的形成,不仅会降低催化剂Pt颗粒的活性,还会加剧Pt颗粒的降解。此外,高电位存在的条件下,载体碳材料容易被氧化,从而将Pt颗粒与碳载体之间的结合力减弱,使Pt颗粒脱落,导致催化剂颗粒在电解质中融解,影响催化性能。更严重的是剥离后的Pt颗粒通过电解质或粘接剂结合在一起,使得电解质阻值增大。因此,开发价格低廉、高活性和高稳定性的电催化剂显得尤为重要。有关催化剂衰减机理解释,可参考『燃料电池干货』推出的丰田如何实时监测燃料电池催化剂衰减。
 
电堆功率密度9kW/L
 
日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆功率密度目标值为9kW/L。目前日本国内,丰田和本田均已推出搭载峰值功率密度3.1kW/L电堆的燃料电池汽车。但对比燃料电池动力系统和燃油发动机体积可以看出,有必要进一步提高燃料电池堆功率密度。
 
以本田为例,其最新一代燃料电池汽车Clarity动力系统体积与V6 3.5L燃油发动机基本相当,但电堆峰值功率为103kW,仅为V6 3.5L燃油发动机的一半。如果日本NEDO发布的燃料电池堆目标功率密度9kW/L可以实现,届时(2040年)燃料电池汽车动力系统功率密度有望超过燃油发动机,真正实现与传统汽车抗衡。
 
提高燃料电池堆栈功率密度可以从高活性催化剂、增强复合质子交换膜、高扰动流场、导电耐腐蚀薄金属双极板、电堆组装与一致性等方面考虑,具体方法可参考『燃料电池干货』推出的提升车用燃料电池电堆比功率的技术途径。
 
功率密度针对燃料电池堆使用场合较多,定义为燃料电池堆的峰值功率除以燃料电池堆的体积(或质量)。由于燃料电池堆体积(或质量)定义差别较大,通常燃料电池堆功率密度可分为四层级别,分别为:活性面积层、电池组层、端板层和外壳层。有关燃料电池堆功率密度的真实情况,可参考『燃料电池干货』推出的揭露国内燃料电池堆及系统产品参数的真实意义。
 
最大工作温度120℃
 
日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆最大工作温度目标值为120℃。目前,日本丰田和本田燃料电池堆工作温度区间为75~80℃,电堆冷却液进出口温差在7~15℃。
 
和传统发动机类似,燃料电池堆在工作状态下会释放大量热量,需及时通过冷却系统向外界散热,以使燃料电池堆工作在合理温度区间。由传统发动机知识可得,燃料电池堆工作越高(温差越大),散热能力越强(cmδT=Q)。
 
丰田Mirai燃料电池系统主副散热器示意
 
 
此外,通过提高单体电压至0.85V以上,大大减少电化学反应过程中产生的热量,从源头上减少热量产生。因此,通过提高单体电压(>0.85V)和电池工作温度(120℃),足以相信届时燃料电池温度将轻松可控可调。
 
耐久性>15年
 
日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池汽车寿命超过15年。其中,燃料电池乘用车寿命超15万km,燃料电池大巴寿命超75万km,燃料电池列车寿命超100万km。
 
质子交换膜燃料电池耐久性与其每个部件息息相关,如质子交换膜、催化层、气体扩散层和双极板。质子交换膜的降解机制通常有两种:机械降解和化学降解。机械降解指质子交换膜工作湿度不断发生变化,内部产生较大的内应力,在周期性变化内应力作用下,质子交换膜强度会降低,甚至形成孔洞,严重降低寿命。化学降解是燃料电池在怠速和开路状态下,电池内部形成大量H2O2,如果电池内部存在一些过渡金属二价离子,在催化作用下,H2O2会转变成活性很强的基团,加速膜降解。
 
由于阴极催化层电势要比阳极高,大多数情况下阴极催化层电化学环境要比阳极催化层恶劣,因此阴极催化层更容易降解。通常催化层是由Pt/C催化剂和一定量的Nafion粘结而成,因此催化层降解主要指Pt/C催化剂降解和Nafion降解。碳载Pt催化剂的降解通常有四种机制:微晶迁移合并机制、电化学熟化机制、Pt融解且在离子导体中再沉积机制、碳腐蚀机制。催化层Nafion和质子交换膜组成、结构相似,因此降解机制和质子膜类似。
 
气体扩散层通常由扩散层基质和微孔层组成。扩散层基质通常由碳纤维或碳布经疏水处理形成;微孔层由碳粉通过PTFE溶液粘结而成。通常认为气体扩撒层的降解机制有两种:机械降解和电化学降解。机械降解是在机械应力、气体和水冲蚀等作用下,PTFE脱落降低疏水性影响水气传输性能,同时微孔层孔径可能发生变化甚至部分脱落。电化学降解是高电势条件下,气体扩散层基质中的碳纤维和微孔层中的碳颗粒发生氧化腐蚀,改变组成和结构,影响性能和降低耐久性。
 
续航里程>1000km
 
日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池汽车续航里程超过1000km。目前,日本丰田Mirai和本田Clarity两款燃料电池汽车满载储氢质量都为5kg(70Mpa),在JC08工况下续航里程分别为650km、750km(丰田Mirai满载储氢容积122.4L,本田Clarity满载储氢容积141L)。
 
JC08工况车速变化
 
 
燃料电池汽车的续航里程主要和氢气储存压力和体积相关。『燃料电池干货』了解到,在目前国际主流燃料电池汽车已实现续航里程700-800公里的前提下,届时1000km公里续航里程并不难。
 
燃料电池堆成本1000JPY/kW
 
日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆成本目标值为1000日元/kW,燃料电池系统成本目标值为2000日元/kW,氢瓶成本目标值为10万日元(注:上述成本目标值均建立在年产量50万套前提下)。
 
燃料电池汽车目前最大的课题是燃料电池组等专用部件的价格尚高,丰田与本田的燃料电池汽车低成本方向略显不同。丰田低成本方向是与旗下混合动力汽车共享电动部件,本田则是与旗下插电式汽车(PHEV)共用底盘。
 
丰田混合动力汽车年销量超过100万,通过在燃料电池汽车中运用HEV的部件量产效应来降低成本。如驱动马达及逆变器采用了与车型级别接近的“雷克萨斯RX450h”相同的产品,镍氢电池则采用了与中型轿车“凯美瑞”相同的产品。注意,丰田没有让Mirai与PHEV共用底盘,原因是2015年底导入的跨越车型级别可以共用部件的丰田TNGA(丰田新型全球架构)是从第四代普锐斯开始采用,Mirai问世比第四代普锐斯早一步。
 
本田燃料电池汽车采用的战略是通过与旗下PHEV共用底盘来降低成本。PHEV用底盘,除了能将电池铺设在地板下方之外,后座下面的氢罐也可以换成邮箱。当然,本田FCV还实现了电动部件的通用化,如锂电池组与旗下雅阁车型通用,驱动马达与飞度EV通用。
 
原标题:日本2040年燃料电池技术动态
 
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