2040年日本燃料电池技术动态

　　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。

　　本田燃料电池动力系统与燃油发动机对比

　　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。

　　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。

　　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)。

　　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)。

　　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Clarity燃料电池汽车底盘

　　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。