美日氢燃料电池车将进入技术与市场示范阶段

在中国，人们从2008年奥运会和2010年世博会上都曾先后看到过燃料电池车（FCEV）作为公共交通运输工具的身影。正是由于FCEV具有节能减排的巨大优势，因此，包括美、日在内的全球各国都在投入巨资进行开发，且已有不少成功的示范案例。美日氢燃料电池车将从目前单纯技术示范阶段转入技术与市场综合示范阶段。

美国氢燃料电池车示范项目

美国能源部（DOE）国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Lab，NREL）长期从事氢燃料电池车的开发，该实验室的Keith Wipke表示，从已经实施了5年多的美国氢燃料电池车示范项目的运行情况看，氢燃料电池车进入了一个新的发展阶段。

据该实验室的统计数据，参与此项目的氢燃料电池车已经累计行驶了114000小时，总里程达460万km。加氢站共提供了134000kg氢燃料。氢燃料电池耐用性和续航里程等关键技术指标满足了美国能源部提出的要求。

具体数据如下，2009年，氢燃料电池电堆的耐用性为2000小时，续航里程超过400km，加氢站的加氢成本为3美元/GGE(Gallons of Gasoline Equivalent，相当于一加仑（约3.87L）汽油的能量)。2015年上述数据将分别达到5000小时、480km、2"3美元/GGE。燃料消耗率将从目前的1kg/min提高到2012年的约1.7kg/min。

福特/英国BP石油和雪佛龙/现代起亚参与了2009年该项目第1代和第2代车/加氢站的示范运行，戴姆勒、通用汽车和空气产品公司将继续参与直到2011年的该项目第1代和第2代车/加氢站的示范运行。该示范项目可从实际用户的驾驶中收集数据并反馈给研发部门，用于今后氢燃料电池车的开发。

在全美58座加氢站中，旧金山、洛杉矶、底特律、华盛顿和纽约地区占33座。其中24座示范站中的15座目前仍在运行。绝大部分示范站以压缩氢为主，此外还提供现场电解、液氢和现场天然气的重新处理。

此外，NREL与NREL（Savannah River National Lab）在2009年对丰田燃料电池混合动力车FCHV-adv进行了开放式公路测试。以丰田美国销售总部所在地的加利福尼亚Torrance为起点，终点是San Diego。平均行驶距离为530km，考虑到最后所剩的氢燃料还可行驶约160km，因此，该车的实际续航里程约为690km。

丰田FCHV和日产FCV异曲同工

丰田FCHV-adv在日本的东京到大阪间（560km）也进行了实际路测，由于高压氢罐的压力从35MPa提高到70MPa，及其他各种效率因素的提升，续航里程达到了830km，比在美国的路测长140km，效率为139km/kg，相当于燃油效率38km/L。

FCHV-adv在环境温度35℃时可携带6kg氢燃料，最高时速达155km/h，可在-30℃低温时起动。不过，目前该车的租赁价格非常高，为每月84万日元。

日产也在美国加州进行了燃料电池车的实际路测，8辆奇骏燃料电池纯电动车（FCV）累计行驶距离超过92万km。该车采用了金属隔片和改良膜，使功率密度增加了1倍，电极催化剂材料Pt的用量减少了一半。并希望在今后开发中将Pt的用量减到每辆车10g。

丰田汽车的koichi kojima表示，从现有的分析数据上看，纯电动车适于乘坐人员少的短途行驶。长距离行驶时，批量生产的燃料电池系统在重量/容量、成本方面比纯电动车有巨大的潜在优势（见图1）。FCHV还可以包括重型卡车在内。

图1 燃料电池系统与纯电动车的比较

目前，丰田正在开发中的FCHV成本大约是FCHV-adv的25%，今后要进一步降低到10%。为此，丰田准备：1.简化燃料电池系统和储氢罐系统等的设计，减小燃料电池系统尺寸和重量。例如，将电流密度提高1倍，以减小一半的电极面积；将单个电池的材料数量减少一半；改进安装和密封方法；减少电极催化剂材料Pt的用量。2.提高材料耐久性，降低材料成本。例如，电解质膜、隔膜（包括表面处理）和GDL(Gas Diffusion Layer，气体扩散层)等；与材料供应商共同降低FCHV的材料成本。3.提高燃料电池电堆和储氢罐等的生产技术。

此外，对于冰点温度以下燃料电池的工作情况，丰田的koichi kojima表示，由于发电停止后，气体扩散不够充分，因此产生的水通常聚集在肋板下面（见图2）。即使在冰点以下运行，这时产生的水仍会在一定时间内保持过冷状态（见图3）。因此，冷起动时需要采取一些避免冻结的措施：适当清除以减少剩余水量；增加储水容量；通过气体控制加快产生热量的速度，快速提高电堆温度（见图4）。

图2 冰点以下发电前燃料电池的内部情况

图3 冰点以下发电时燃料电池的内部情况

图4 快读提高电堆温度

鉴于丰田的燃料电池车开发已经取得了很大进展，总裁丰田章男2009年8月在其美国汽车研究中心发表演讲时表示，计划在未来5、6年内，为消费者提供价格合理的氢燃料电池汽车。

日产汽车电动化系统技术研究所所长饭山明裕在分析燃料电池膜电极组（MEA）性能劣化时指出，因高电位引起碳粒子腐蚀，电位变动引起空气极催化剂溶解，H2O2引起电解质膜化学分解，电解质膜分解生成物引起空气极催化剂毒化等原因，会导致空气极催化剂表面积减少；空气极催化层内气体扩散性降低；或电解质膜质子传导性变差。

通过提高催化剂活性和有效利用率；在水管理中采用高温化和低湿度；降低隔板/GDL/催化剂层间的接触电阻；提高电流密度；降低Pt的用量并妥善解决好由此引发的问题（见图5和图6），可有效降低燃料电池的系统成本，进而促进燃料电池车早日进入公众市场。