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在中國(guó)，人們從2008年奧運(yùn)會(huì)和2010年世博會(huì)上都曾先后看到過(guò)燃料電池車（FCEV）作為公共交通運(yùn)輸工具的身影。正是由于FCEV具有節(jié)能減排的巨大優(yōu)勢(shì)，因此，包括美、日在內(nèi)的全球各國(guó)都在投入巨資進(jìn)行開(kāi)發(fā)，且已有不少成功的示范案例。美日氫燃料電池車將從目前單純技術(shù)示范階段轉(zhuǎn)入技術(shù)與市場(chǎng)綜合示范階段。 美國(guó)氫燃料電池車示范項(xiàng)目 美國(guó)能源部（DOE）國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（National Renewable Energy Lab，NREL）長(zhǎng)期從事氫燃料電池車的開(kāi)發(fā)，該實(shí)驗(yàn)室的Keith Wipke表示，從已經(jīng)實(shí)施了5年多的美國(guó)氫燃料電池車示范項(xiàng)目的運(yùn)行情況看，氫燃料電池車進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展階段。 據(jù)該實(shí)驗(yàn)室的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，參與此項(xiàng)目的氫燃料電池車已經(jīng)累計(jì)行駛了114000小時(shí)，總里程達(dá)460萬(wàn)km。加氫站共提供了134000kg氫燃料。氫燃料電池耐用性和續(xù)航里程等關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)滿足了美國(guó)能源部提出的要求。 具體數(shù)據(jù)如下，2009年，氫燃料電池電堆的耐用性為2000小時(shí)，續(xù)航里程超過(guò)400km，加氫站的加氫成本為3美元/GGE(Gallons of Gasoline Equivalent，相當(dāng)于一加侖（約3.87L）汽油的能量)。2015年上述數(shù)據(jù)將分別達(dá)到5000小時(shí)、480km、2"3美元/GGE。燃料消耗率將從目前的1kg/min提高到2012年的約1.7kg/min。 福特/英國(guó)BP石油和雪佛龍/現(xiàn)代起亞參與了2009年該項(xiàng)目第1代和第2代車/加氫站的示范運(yùn)行，戴姆勒、通用汽車和空氣產(chǎn)品公司將繼續(xù)參與直到2011年的該項(xiàng)目第1代和第2代車/加氫站的示范運(yùn)行。該示范項(xiàng)目可從實(shí)際用戶的駕駛中收集數(shù)據(jù)并反饋給研發(fā)部門，用于今后氫燃料電池車的開(kāi)發(fā)。 在全美58座加氫站中，舊金山、洛杉磯、底特律、華盛頓和紐約地區(qū)占33座。其中24座示范站中的15座目前仍在運(yùn)行。絕大部分示范站以壓縮氫為主，此外還提供現(xiàn)場(chǎng)電解、液氫和現(xiàn)場(chǎng)天然氣的重新處理。 此外，NREL與NREL（Savannah River National Lab）在2009年對(duì)豐田燃料電池混合動(dòng)力車FCHV-adv進(jìn)行了開(kāi)放式公路測(cè)試。以豐田美國(guó)銷售總部所在地的加利福尼亞Torrance為起點(diǎn)，終點(diǎn)是San Diego。平均行駛距離為530km，考慮到最后所剩的氫燃料還可行駛約160km，因此，該車的實(shí)際續(xù)航里程約為690km。 豐田FCHV和日產(chǎn)FCV異曲同工 豐田FCHV-adv在日本的東京到大阪間（560km）也進(jìn)行了實(shí)際路測(cè)，由于高壓氫罐的壓力從35MPa提高到70MPa，及其他各種效率因素的提升，續(xù)航里程達(dá)到了830km，比在美國(guó)的路測(cè)長(zhǎng)140km，效率為139km/kg，相當(dāng)于燃油效率38km/L。 FCHV-adv在環(huán)境溫度35℃時(shí)可攜帶6kg氫燃料，最高時(shí)速達(dá)155km/h，可在-30℃低溫時(shí)起動(dòng)。不過(guò)，目前該車的租賃價(jià)格非常高，為每月84萬(wàn)日元。 日產(chǎn)也在美國(guó)加州進(jìn)行了燃料電池車的實(shí)際路測(cè)，8輛奇駿燃料電池純電動(dòng)車（FCV）累計(jì)行駛距離超過(guò)92萬(wàn)km。該車采用了金屬隔片和改良膜，使功率密度增加了1倍，電極催化劑材料Pt的用量減少了一半。并希望在今后開(kāi)發(fā)中將Pt的用量減到每輛車10g。 豐田汽車的koichi kojima表示，從現(xiàn)有的分析數(shù)據(jù)上看，純電動(dòng)車適于乘坐人員少的短途行駛。長(zhǎng)距離行駛時(shí)，批量生產(chǎn)的燃料電池系統(tǒng)在重量/容量、成本方面比純電動(dòng)車有巨大的潛在優(yōu)勢(shì)（見(jiàn)圖1）。FCHV還可以包括重型卡車在內(nèi)。
目前，豐田正在開(kāi)發(fā)中的FCHV成本大約是FCHV-adv的25%，今后要進(jìn)一步降低到10%。為此，豐田準(zhǔn)備：1.簡(jiǎn)化燃料電池系統(tǒng)和儲(chǔ)氫罐系統(tǒng)等的設(shè)計(jì)，減小燃料電池系統(tǒng)尺寸和重量。例如，將電流密度提高1倍，以減小一半的電極面積；將單個(gè)電池的材料數(shù)量減少一半；改進(jìn)安裝和密封方法；減少電極催化劑材料Pt的用量。2.提高材料耐久性，降低材料成本。例如，電解質(zhì)膜、隔膜（包括表面處理）和GDL(Gas Diffusion Layer，氣體擴(kuò)散層)等；與材料供應(yīng)商共同降低FCHV的材料成本。3.提高燃料電池電堆和儲(chǔ)氫罐等的生產(chǎn)技術(shù)。 此外，對(duì)于冰點(diǎn)溫度以下燃料電池的工作情況，豐田的koichi kojima表示，由于發(fā)電停止后，氣體擴(kuò)散不夠充分，因此產(chǎn)生的水通常聚集在肋板下面（見(jiàn)圖2）。即使在冰點(diǎn)以下運(yùn)行，這時(shí)產(chǎn)生的水仍會(huì)在一定時(shí)間內(nèi)保持過(guò)冷狀態(tài)（見(jiàn)圖3）。因此，冷起動(dòng)時(shí)需要采取一些避免凍結(jié)的措施：適當(dāng)清除以減少剩余水量；增加儲(chǔ)水容量；通過(guò)氣體控制加快產(chǎn)生熱量的速度，快速提高電堆溫度（見(jiàn)圖4）。
鑒于豐田的燃料電池車開(kāi)發(fā)已經(jīng)取得了很大進(jìn)展，總裁豐田章男2009年8月在其美國(guó)汽車研究中心發(fā)表演講時(shí)表示，計(jì)劃在未來(lái)5、6年內(nèi)，為消費(fèi)者提供價(jià)格合理的氫燃料電池汽車。 日產(chǎn)汽車電動(dòng)化系統(tǒng)技術(shù)研究所所長(zhǎng)飯山明裕在分析燃料電池膜電極組（MEA）性能劣化時(shí)指出，因高電位引起碳粒子腐蝕，電位變動(dòng)引起空氣極催化劑溶解，H2O2引起電解質(zhì)膜化學(xué)分解，電解質(zhì)膜分解生成物引起空氣極催化劑毒化等原因，會(huì)導(dǎo)致空氣極催化劑表面積減少；空氣極催化層內(nèi)氣體擴(kuò)散性降低；或電解質(zhì)膜質(zhì)子傳導(dǎo)性變差。 通過(guò)提高催化劑活性和有效利用率；在水管理中采用高溫化和低濕度；降低隔板/GDL/催化劑層間的接觸電阻；提高電流密度；降低Pt的用量并妥善解決好由此引發(fā)的問(wèn)題（見(jiàn)圖5和圖6），可有效降低燃料電池的系統(tǒng)成本，進(jìn)而促進(jìn)燃料電池車早日進(jìn)入公眾市場(chǎng)。
日本燃料電池車和基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展規(guī)劃 日本燃料電池車和加氫站技術(shù)已處于世界領(lǐng)先地位，其加氫站的普及和技術(shù)開(kāi)發(fā)分別如圖7和圖8所示。
對(duì)于燃料電池車和基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展，日本燃料電池商業(yè)化協(xié)會(huì)(FCCJ)將其分為四個(gè)階段： 2010年之前屬于技術(shù)示范階段。主要解決技術(shù)問(wèn)題。此期間將建約1000座加氫站，燃料電池車數(shù)量約為200萬(wàn)輛，并確定商業(yè)型加氫站的規(guī)范。 2011"2015年是技術(shù)與市場(chǎng)示范階段。繼續(xù)解決技術(shù)問(wèn)題，并根據(jù)情況促進(jìn)和評(píng)審各種規(guī)章與條例。從社會(huì)及經(jīng)濟(jì)角度驗(yàn)證燃料電池車和加氫站的利用。2015年開(kāi)始普及大眾化燃料電池車。 2016"2025年進(jìn)入商業(yè)化初期階段。擴(kuò)大燃料電池車的生產(chǎn)和銷售，通過(guò)更多車型增加燃料電池車數(shù)量，同時(shí)保證使用者的便利性；降低氫燃料和加氫站的成本；繼續(xù)技術(shù)開(kāi)發(fā)，評(píng)審各種規(guī)章與條例。2016年開(kāi)始建設(shè)商業(yè)型加氫站，在2025年達(dá)到2000座。 從2026年開(kāi)始，燃料電池車和加氫站進(jìn)入全面商業(yè)化階段。將可以實(shí)現(xiàn)能源的多樣化，大幅降低二氧化碳的排放。 |
