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　　NEDO(日本新能源產(chǎn)業(yè)技術(shù)綜合開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu))發(fā)布了2040年日本國(guó)內(nèi)的燃料電池目標(biāo)計(jì)劃，全部目標(biāo)包括：峰值功率工作電壓0.85V、電堆功率密度9kW/L、大工作溫度120℃、耐久性大于15年、續(xù)航里程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(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆大負(fù)荷處對(duì)應(yīng)的工作電壓為0.85V@4.4A/cm2。下圖為日本NEDO在2017年發(fā)布的2040年燃料電池堆棧性能路線圖，其中2030年目標(biāo)峰值功率工作電壓為0.66V@3.8A/cm2，催化劑擔(dān)載量0.05~0.1g/kW，0.2A/cm2電流密度對(duì)應(yīng)電壓0.84V；2040年目標(biāo)峰值功率工作電壓為0.85V@4.4A/cm2，催化劑擔(dān)載量0.03g/kW，0.2A/cm2電流密度對(duì)應(yīng)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基本的途徑，但會(huì)導(dǎo)致陰極電位增加，形成高電位(>0.85V)。在眾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(rèn)為是造成電堆性能衰減的主要因素。高電位會(huì)加劇催化劑氧化物的形成，不僅會(huì)降低催化劑Pt顆粒的活性，還會(huì)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，從而將Pt顆粒與碳載體之間的結(jié)合力減弱，使Pt顆粒脫落，導(dǎo)致催化劑顆粒在電解質(zhì)中融解，影響催化性能。更嚴(yán)重的是剝離后的Pt顆粒通過(guò)電解質(zhì)或粘接劑結(jié)合在一起，使得電解質(zhì)阻值增大。因此，開(kāi)發(fā)價(jià)格低廉、高活性和高穩(wěn)定性的電催化劑顯得尤為重要。有關(guān)催化劑衰減機(jī)理解釋?zhuān)蓞⒖肌喝剂想姵馗韶洝煌瞥龅呢S田如何實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)燃料電池催化劑衰減。
 

　　電堆功率密度9kW/L
 

　　日本NEDO發(fā)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標(biāo)值為9kW/L。目前日本國(guó)內(nèi)，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(chē)。但對(duì)比燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)和燃油發(fā)動(dòng)機(jī)體積可以看出，有必要進(jìn)一步提高燃料電池堆功率密度。
 

本田燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)對(duì)比
 

　　以本田為例，其xin一代燃料電池汽車(chē)Clarity動(dòng)力系統(tǒng)體積與V6 3.5L燃油發(fā)動(dòng)機(jī)基本相當(dāng)，但電堆峰值功率為103kW，僅為V6 3.5L燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的一半。如果日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆目標(biāo)功率密度9kW/L可以實(shí)現(xiàn)，屆時(shí)(2040年)燃料電池汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)功率密度有望超過(guò)燃油發(fā)動(dòng)機(jī)，真正實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)汽車(chē)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(qiáng)復(fù)合質(zhì)子交換膜、高擾動(dòng)流場(chǎng)、導(dǎo)電耐腐蝕薄金屬雙極板、電堆組裝與一致性等方面考慮，具體方法可參考『燃料電池干貨』推出的提升車(chē)用燃料電池電堆比功率的技術(shù)途徑。
 

　　功率密度針對(duì)燃料電池堆使用場(chǎng)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(zhì)量)。由于燃料電池堆體積(或質(zhì)量)定義差別較大，通常燃料電池堆功率密度可分為四層級(jí)別，分別為：活性面積層、電池組層、端板層和外殼層。有關(guān)燃料電池堆功率密度的真實(shí)情況，可參考『燃料電池干貨』推出的揭露國(guó)內(nèi)燃料電池堆及系統(tǒng)產(chǎn)品參數(shù)的真實(shí)意義。
 

　　大工作溫度120℃
 

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆大工作溫度目標(biāo)值為120℃。目前，日本豐田和本田燃料電池堆工作溫度區(qū)間為75~80℃，電堆冷卻液進(jìn)出口溫差在7~15℃。
 

豐田Mirai燃料電池汽車(chē)主副散熱器位置
 

　　和傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)類(lèi)似，燃料電池堆在工作狀態(tài)下會(huì)釋放大量熱量，需及時(shí)通過(guò)冷卻系統(tǒng)向外界散熱，以使燃料電池堆工作在合理溫度區(qū)間。由傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)知識(shí)可得，燃料電池堆工作越高(溫差越大)，散熱能力越強(qiáng)(cmδT=Q)。
 

豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)主副散熱器示意
 

　　此外，通過(guò)提高單體電壓至0.85V以上，大大減少電化學(xué)反應(yīng)過(guò)程中產(chǎn)生的熱量，從源頭上減少熱量產(chǎn)生。因此，通過(guò)提高單體電壓(>0.85V)和電池工作溫度(120℃)，足以相信屆時(shí)燃料電池溫度將輕松可控可調(diào)。
 

　　耐久性>15年
 

　　日本NEDO發(fā)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(chē)壽命超過(guò)15年。其中，燃料電池乘用車(chē)壽命超15萬(wàn)km，燃料電池大巴壽命超75萬(wàn)km，燃料電池列車(chē)壽命超100萬(wàn)km。
 

　　質(zhì)子交換膜燃料電池耐久性與其每個(gè)部件息息相關(guān)，如質(zhì)子交換膜、催化層、氣體擴(kuò)散層和雙極板。質(zhì)子交換膜的降解機(jī)制通常有兩種：機(jī)械降解和化學(xué)降解。機(jī)械降解指質(zhì)子交換膜工作濕度不斷發(fā)生變化，內(nèi)部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力，在周期性變化內(nèi)應(yīng)力作用下，質(zhì)子交換膜強(qiáng)度會(huì)降低，甚至形成孔洞，嚴(yán)重降低壽命?；瘜W(xué)降解是燃料電池在怠速和開(kāi)路狀態(tài)下，電池內(nèi)部形成大量H2O2，如果電池內(nèi)部存在一些過(guò)渡金屬二價(jià)離子，在催化作用下，H2O2會(huì)轉(zhuǎn)變成活性很強(qiáng)的基團(tuán)，加速膜降解。
 

　　由于陰極催化層電勢(shì)要比陽(yáng)*，大多數(shù)情況下陰極催化層電化學(xué)環(huán)境要比陽(yáng)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(jié)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(jī)制：微晶遷移合并機(jī)制、電化學(xué)熟化機(jī)制、Pt融解且在離子導(dǎo)體中再沉積機(jī)制、碳腐蝕機(jī)制。催化層Nafion和質(zhì)子交換膜組成、結(jié)構(gòu)相似，因此降解機(jī)制和質(zhì)子膜類(lèi)似。
 

　　氣體擴(kuò)散層通常由擴(kuò)散層基質(zhì)和微孔層組成。擴(kuò)散層基質(zhì)通常由碳纖維或碳布經(jīng)疏水處理形成；微孔層由碳粉通過(guò)PTFE溶液粘結(jié)而成。通常認(rèn)為氣體擴(kuò)撒層的降解機(jī)制有兩種：機(jī)械降解和電化學(xué)降解。機(jī)械降解是在機(jī)械應(yīng)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(shí)微孔層孔徑可能發(fā)生變化甚至部分脫落。電化學(xué)降解是高電勢(shì)條件下，氣體擴(kuò)散層基質(zhì)中的碳纖維和微孔層中的碳顆粒發(fā)生氧化腐蝕，改變組成和結(jié)構(gòu)，影響性能和降低耐久性。
 

　　續(xù)航里程>1000km
 

　　日本NEDO發(fā)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(chē)?yán)m(xù)航里程超過(guò)1000km。目前，日本豐田Mirai和本田Clarity兩款燃料電池汽車(chē)滿(mǎn)載儲(chǔ)氫質(zhì)量都為5kg(70Mpa)，在JC08工況下續(xù)航里程分別為650km、750km(豐田Mirai滿(mǎn)載儲(chǔ)氫容積122.4L，本田Clarity滿(mǎn)載儲(chǔ)氫容積141L)。
 

豐田Mirai燃料電池汽車(chē)氫罐擺放位置
 

本田Clarity燃料電池汽車(chē)氫罐擺放位置
 

JC08工況車(chē)速變化
 

　　燃料電池汽車(chē)的續(xù)航里程主要和氫氣儲(chǔ)存壓力和體積相關(guān)?！喝剂想姵馗韶洝涣私獾?，在目前主流燃料電池汽車(chē)已實(shí)現(xiàn)續(xù)航里程700-800公里的前提下，屆時(shí)1000km公里續(xù)航里程并不難。
 

　　燃料電池堆成本1000JPY/kW
 

　　日本NEDO發(fā)布的燃料電池堆棧性能路線路中提出，至2040年，燃料電池堆成本目標(biāo)值為1000日元/kW，燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)值為2000日元/kW，氫瓶成本目標(biāo)值為10萬(wàn)日元(注：上述成本目標(biāo)值均建立在年產(chǎn)量50萬(wàn)套前提下)。
 

　　燃料電池汽車(chē)目前大的課題是燃料電池組等部件的價(jià)格尚高，豐田與本田的燃料電池汽車(chē)低成本方向略顯不同。豐田低成本方向是與旗下混合動(dòng)力汽車(chē)共享電動(dòng)部件，本田則是與旗下插電式汽車(chē)(PHEV)共用底盤(pán)。
 

　　豐田混合動(dòng)力汽車(chē)年銷(xiāo)量超過(guò)100萬(wàn)，通過(guò)在燃料電池汽車(chē)中運(yùn)用HEV的部件量產(chǎn)效應(yīng)來(lái)降低成本。如驅(qū)動(dòng)馬達(dá)及逆變器采用了與車(chē)型級(jí)別接近的“雷克薩斯RX450h”相同的產(chǎn)品，鎳氫電池則采用了與中型轎車(chē)“凱美瑞”相同的產(chǎn)品。注意，豐田沒(méi)有讓Mirai與PHEV共用底盤(pán)，原因是2015年底導(dǎo)入的跨越車(chē)型級(jí)別可以共用部件的豐田TNGA(豐田新型架構(gòu))是從第四代普銳斯開(kāi)始采用，Mirai問(wèn)世比第四代普銳斯早一步。
 

本田Clarity燃料電池汽車(chē)底盤(pán)
 

　　本田燃料電池汽車(chē)采用的戰(zhàn)略是通過(guò)與旗下PHEV共用底盤(pán)來(lái)降低成本。PHEV用底盤(pán)，除了能將電池鋪設(shè)在地板下方之外，后座下面的氫罐也可以換成郵xiang。當(dāng)然，本田FCV還實(shí)現(xiàn)了電動(dòng)部件的通用化，如鋰電池組與旗下雅閣車(chē)型通用，驅(qū)動(dòng)馬達(dá)與飛度EV通用。