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日本2040年燃料電池技術動态:電堆功率密度9kW/L 最大工作溫度120℃ 耐久性15年

   日期:2019-08-06     來源:燃料電池幹貨FuelcellPhd    作者:燃料電池博士    浏覽:922    評論:0    
核心提示:NEDO(日本新能源産業技術綜合開發機構)發布了2040年日本國内的燃料電池目标計劃,全部目标包括:峰值功率工作電壓0.85V、電堆功
 NEDO(日本新能源産業技術綜合開發機構)發布了2040年日本國内的燃料電池目标計劃,全部目标包括:峰值功率工作電壓0.85V、電堆功率密度9kW/L、最大工作溫度120℃、耐久性大于15年、續航裡程1000km、燃料電池堆成本1000日元/kW。
 
 
 
峰值功率工作電壓0.85V
 
日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,至2040年,燃料電池堆最大負荷處對應的工作電壓為0.85V@4.4A/cm2。下圖為日本NEDO在2017年發布的2040年燃料電池堆棧性能路線圖,其中2030年目标峰值功率工作電壓為0.66V@3.8A/cm2,催化劑擔載量0.05~0.1g/kW,0.2A/cm2電流密度對應電壓0.84V;2040年目标峰值功率工作電壓為0.85V@4.4A/cm2,催化劑擔載量0.03g/kW,0.2A/cm2電流密度對應電壓1.1V。
 
日本燃料電池堆性能路線圖(NEDO)
 
 
為獲得更高功率,提升燃料電池單電池電壓是最基本的途徑,但會導緻陰極電位增加,形成高電位(>0.85V)。在衆多影響燃料電池壽命的因素中,高電位造成陰極催化劑衰減被認為是造成電堆性能衰減的主要因素。高電位會加劇催化劑氧化物的形成,不僅會降低催化劑Pt顆粒的活性,還會加劇Pt顆粒的降解。此外,高電位存在的條件下,載體碳材料容易被氧化,從而将Pt顆粒與碳載體之間的結合力減弱,使Pt顆粒脫落,導緻催化劑顆粒在電解質中融解,影響催化性能。更嚴重的是剝離後的Pt顆粒通過電解質或粘接劑結合在一起,使得電解質阻值增大。因此,開發價格低廉、高活性和高穩定性的電催化劑顯得尤為重要。有關催化劑衰減機理解釋,可參考『燃料電池幹貨』推出的豐田如何實時監測燃料電池催化劑衰減。
 
電堆功率密度9kW/L
 
日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,至2040年,燃料電池堆功率密度目标值為9kW/L。目前日本國内,豐田和本田均已推出搭載峰值功率密度3.1kW/L電堆的燃料電池汽車。但對比燃料電池動力系統和燃油發動機體積可以看出,有必要進一步提高燃料電池堆功率密度。
 
以本田為例,其最新一代燃料電池汽車Clarity動力系統體積與V6 3.5L燃油發動機基本相當,但電堆峰值功率為103kW,僅為V6 3.5L燃油發動機的一半。如果日本NEDO發布的燃料電池堆目标功率密度9kW/L可以實現,屆時(2040年)燃料電池汽車動力系統功率密度有望超過燃油發動機,真正實現與傳統汽車抗衡。
 
提高燃料電池堆棧功率密度可以從高活性催化劑、增強複合質子交換膜、高擾動流場、導電耐腐蝕薄金屬雙極闆、電堆組裝與一緻性等方面考慮,具體方法可參考『燃料電池幹貨』推出的提升車用燃料電池電堆比功率的技術途徑。
 
功率密度針對燃料電池堆使用場合較多,定義為燃料電池堆的峰值功率除以燃料電池堆的體積(或質量)。由于燃料電池堆體積(或質量)定義差别較大,通常燃料電池堆功率密度可分為四層級别,分别為:活性面積層、電池組層、端闆層和外殼層。有關燃料電池堆功率密度的真實情況,可參考『燃料電池幹貨』推出的揭露國内燃料電池堆及系統産品參數的真實意義。
 
最大工作溫度120℃
 
日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,至2040年,燃料電池堆最大工作溫度目标值為120℃。目前,日本豐田和本田燃料電池堆工作溫度區間為75~80℃,電堆冷卻液進出口溫差在7~15℃。
 
和傳統發動機類似,燃料電池堆在工作狀态下會釋放大量熱量,需及時通過冷卻系統向外界散熱,以使燃料電池堆工作在合理溫度區間。由傳統發動機知識可得,燃料電池堆工作越高(溫差越大),散熱能力越強(cmδT=Q)。
 
豐田Mirai燃料電池系統主副散熱器示意
 
 
此外,通過提高單體電壓至0.85V以上,大大減少電化學反應過程中産生的熱量,從源頭上減少熱量産生。因此,通過提高單體電壓(>0.85V)和電池工作溫度(120℃),足以相信屆時燃料電池溫度将輕松可控可調。
 
耐久性>15年
 
日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,至2040年,燃料電池汽車壽命超過15年。其中,燃料電池乘用車壽命超15萬km,燃料電池大巴壽命超75萬km,燃料電池列車壽命超100萬km。
 
質子交換膜燃料電池耐久性與其每個部件息息相關,如質子交換膜、催化層、氣體擴散層和雙極闆。質子交換膜的降解機制通常有兩種:機械降解和化學降解。機械降解指質子交換膜工作濕度不斷發生變化,内部産生較大的内應力,在周期性變化内應力作用下,質子交換膜強度會降低,甚至形成孔洞,嚴重降低壽命。化學降解是燃料電池在怠速和開路狀态下,電池内部形成大量H2O2,如果電池内部存在一些過渡金屬二價離子,在催化作用下,H2O2會轉變成活性很強的基團,加速膜降解。
 
由于陰極催化層電勢要比陽極高,大多數情況下陰極催化層電化學環境要比陽極催化層惡劣,因此陰極催化層更容易降解。通常催化層是由Pt/C催化劑和一定量的Nafion粘結而成,因此催化層降解主要指Pt/C催化劑降解和Nafion降解。碳載Pt催化劑的降解通常有四種機制:微晶遷移合并機制、電化學熟化機制、Pt融解且在離子導體中再沉積機制、碳腐蝕機制。催化層Nafion和質子交換膜組成、結構相似,因此降解機制和質子膜類似。
 
氣體擴散層通常由擴散層基質和微孔層組成。擴散層基質通常由碳纖維或碳布經疏水處理形成;微孔層由碳粉通過PTFE溶液粘結而成。通常認為氣體擴撒層的降解機制有兩種:機械降解和電化學降解。機械降解是在機械應力、氣體和水沖蝕等作用下,PTFE脫落降低疏水性影響水氣傳輸性能,同時微孔層孔徑可能發生變化甚至部分脫落。電化學降解是高電勢條件下,氣體擴散層基質中的碳纖維和微孔層中的碳顆粒發生氧化腐蝕,改變組成和結構,影響性能和降低耐久性。
 
續航裡程>1000km
 
日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,至2040年,燃料電池汽車續航裡程超過1000km。目前,日本豐田Mirai和本田Clarity兩款燃料電池汽車滿載儲氫質量都為5kg(70Mpa),在JC08工況下續航裡程分别為650km、750km(豐田Mirai滿載儲氫容積122.4L,本田Clarity滿載儲氫容積141L)。
 
JC08工況車速變化
 
 
燃料電池汽車的續航裡程主要和氫氣儲存壓力和體積相關。『燃料電池幹貨』了解到,在目前國際主流燃料電池汽車已實現續航裡程700-800公裡的前提下,屆時1000km公裡續航裡程并不難。
 
燃料電池堆成本1000JPY/kW
 
日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線路中提出,至2040年,燃料電池堆成本目标值為1000日元/kW,燃料電池系統成本目标值為2000日元/kW,氫瓶成本目标值為10萬日元(注:上述成本目标值均建立在年産量50萬套前提下)。
 
燃料電池汽車目前最大的課題是燃料電池組等專用部件的價格尚高,豐田與本田的燃料電池汽車低成本方向略顯不同。豐田低成本方向是與旗下混合動力汽車共享電動部件,本田則是與旗下插電式汽車(PHEV)共用底盤。
 
豐田混合動力汽車年銷量超過100萬,通過在燃料電池汽車中運用HEV的部件量産效應來降低成本。如驅動馬達及逆變器采用了與車型級别接近的“雷克薩斯RX450h”相同的産品,鎳氫電池則采用了與中型轎車“凱美瑞”相同的産品。注意,豐田沒有讓Mirai與PHEV共用底盤,原因是2015年底導入的跨越車型級别可以共用部件的豐田TNGA(豐田新型全球架構)是從第四代普銳斯開始采用,Mirai問世比第四代普銳斯早一步。
 
本田燃料電池汽車采用的戰略是通過與旗下PHEV共用底盤來降低成本。PHEV用底盤,除了能将電池鋪設在地闆下方之外,後座下面的氫罐也可以換成郵箱。當然,本田FCV還實現了電動部件的通用化,如锂電池組與旗下雅閣車型通用,驅動馬達與飛度EV通用。
 
原标題:日本2040年燃料電池技術動态
 
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