丰田来中国兜售燃料电池汽车技术,凭什么?-电动汽车观察家

丰田来中国兜售燃料电池汽车技术,凭什么?

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图1 丰田燃料电池大巴

近期,丰田汽车再叩中国门:向北汽福田提供氢燃料电池技术和零部件,和清华大学成立燃料电池研究院,在清华举办校园行,连王传福、徐留平、曾庆洪等大佬都去观摩。

丰田确实在燃料电池车(FCV)技术研究上领先全球,那么它到底牛在哪儿?本文尝试为大家做一些解答。

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催化剂金贵,怎么用?

催化剂是氢燃料电池发电的必需材料。氢、氧气只有在催化剂作用下,才能发生化学反应,分解出电子。

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虽然现在有很多非贵金属催化剂的研究,但是商用催化剂仍以铂碳催化剂做为主流。其结构是以碳作为载体,将贵金属铂依附在载体之上,有的会根据要求少量掺杂一些钴、钌等金属元素。

氢能和燃料电池专家衣宝廉院士指出:燃料电池汽车铂用量如果低于燃油车中三元催化的铂用量,此时铂将不再是制约燃料电池发展的瓶颈。意思就是,催化剂用得越少越好。根据美国能源部的标准,燃料电池催化剂铂载量2020年的目标是不大于0.125g/kW,未来将降到0.05g/kW。

在此,我想纠正一个观点。催化剂对燃料电池的制约并非就是成本因素,而可能是供应能力。

目前40%左右的铂碳催化剂在国际市场上每克在20~30美元左右。如果按照0.25g/kW的铂载量计算,催化剂的成本约为19美元/kW,而目前电堆的成本约为5000~10000元人民币/kW,催化剂的成本只占其中的3~5%。

虽然催化剂在电堆中成本的占比并不太高,但现实情况是铂是一种资源限制型的元素。我从供货商处了解到,目前订购铂催化剂的交货期已经在半年以上。未来短期内的价格上涨,货源紧俏,则是大概率事件,可能买不到比涨价更加致命。虽然有人认为未来铂可以通过从退役燃料电池中回收的方式循环使用,但这其中至少存在着两个隐含假设:第一,燃料电池已经具备一定的规模,第二,不考虑铂在使用过程中的流失。

因此,铂载量的控制将是未来燃料电池技术战的主战场,如何减少铂载量,增加铂催化剂的寿命,是未来燃料电池从业者中重要任务。

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图2 燃料电池工作曲线

图2是燃料电池工作时的功率、电压与电流密度之间的关系。从图中可以看出,燃料电池在输出功率增加的过程中,电压会随之降低。而电压的变化,是影响燃料电池铂催化剂性能及寿命的重要指标。

我要简述一下机理。首先,铂催化剂具有高电位溶解、低电位重新析出的特性。其次,如果电堆在很低电位下运行,铂表面的氧化膜会消失,进而暴露出金属铂。如果此时迅速升高电压,金属铂更容易溶解。在不断的溶解和析出的过程中,不但可能造成铂流失,而且铂的颗粒度也会长大。长大的铂比表面积会降低,也就是说供氢氧反应的场所减少了,造成反应阻力增加,电堆性能下降。这是目前已知的电堆性能下降的重要的机理之一。

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图3 催化剂(阴极)衰减过程示意图

本段结论:频繁的电压变化,会使燃料单池性能下降。因此控制电压,将电压限定在安全范围,是燃料电池系统的重要任务。

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并联混动系统,

减少催化剂衰减

要控制电压,将电压限定在安全范围,解决方案是利用混动系统。混动系统虽然不能限制负载的大小,但是可以有效控制燃料电池电堆出力的波动范围。

燃料电池的混动系统,一般由燃料电池和蓄电池成。常用的蓄电池一般是锂离子电池或镍氢电池。

国内常见的混动系统是增程式的“串联”结构。这种结构中,实际驱动电机工作的是蓄电池,而燃料电池,只以相对稳定的输出,为蓄电池充电。实际电池的输出功率仅由蓄电池提供。

丰田燃料电池管理系统,由电池和燃料分别驱动电机和发动机协同工作,是一种“并联”结构。也就是说电机的功率由燃料电池和一套(镍氢)蓄电池共同提供。

那么,丰田的动力分配控制策略是怎样的呢?

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图4 燃料电池混合动力系统控制策略示意图

(图片参考SAE资料绘制)

图4展示了丰田电池管理的控制策略。最左侧、蓝色区域为汽车的小功率输出阶段,此阶段,燃料电池为系统中的主要动力来源。等汽车需求功率进一步上升,进入红色区域时,燃料电池的单体电压被限制到0.7V,即燃料电池的第一阶段保护电压,输出功率不再增加。电机所需功率不足部分,由蓄电池补足。如果汽车持续高功率运行,进入绿色区域,蓄电池剩余电量不足时,燃料电池的输出功率将重新增加,单体电压从0.7V下降到0.6V,达到第二阶段的保护电压。

当汽车动力需求下降时,蓄电池停止工作,燃料电池转为为蓄电池补充电量,控制电压按规定速度上升。整套燃料电池混动系统中,燃料电池是输出的主体,功率瞬间的变化由蓄电池加以调节,以保证燃料电池工作电压变化区间和变化速度,从而保证催化剂的寿命。

由此,现在丰田汽车铂使用量已经下降到了每辆大约20克。根据清华大学教授李建秋介绍,丰田还在不断降低催化剂用量。新一代FC发动机100kW铂用量将小于10g。

其实这套并联式系统的设计,并没有想象中复杂,为什么国内企业都不选呢?直观原因有二:第一,控制的动态响应水平达不到要求。第二,燃料电池系统的故障率太高。因此,大家使用增程式方案,尽快降低系统控制难度,提高稳定性。

我认为,可能还存在着另外一个原因:选用增程式方案,也许是一种无奈之举。首先,国内商用的燃料电池电堆功率无法独立支撑汽车的运行。如果返回到图4的位置,就是蓝色区域燃料电池的可输出功率太低了,蓄电池要过早介入,因此,很难形成“燃电为主,蓄电补充”的结构。其次,就是与之配套辅助设备还达不到大功率单堆的要求,比如空气压缩机。

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自增湿减少空间

加湿对燃料电池非常重要,质子交换膜只有在充分湿润的时候,才能正常工作,否则将会导致燃料电池内阻迅速上升,发电效率降低。因此,监控电池内阻,也是判断燃料电池内部湿度的重要手段。

但是丰田去掉了加湿器,实现了自增湿,为空气压缩机等其他辅件腾出了更多的空间。那么实现自增湿的必要条件是什么?

首先,电堆里不能太干。我们以丰田的电堆为例,看看它的电堆是怎么支持自增湿的。第一,丰田使用了更薄的质子交换膜,这让水分可以在阳极和阴极之间“自由补充”。避免电极一侧过干,另一侧过湿的问题出现。第二,在电堆结构上,阳极和阴极的进出气口采取交叉设计。这让出口处生成的水分可以为对侧入口处更好的加湿。避免电极同一侧入口处过干,出口处过湿的情况出现。

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图5 丰田燃料电池双极板的结构设计

其次,电堆里不能太湿。如果太湿,过饱和的水汽则会液化,严重的会导致流道的“栓塞”。造成反应气体不能达到三相界面,而造成电池性能迅速衰减,这种衰减甚至是不可逆的。如果“栓塞“发生在氢气端则会导致被堵的地方由于没有氢气可”烧“,赤裸裸地烧掉另外一种燃料——还记得作为催化剂载体的碳吗?为了避免这种情况的发生,丰田在膜电极中添加了其他成分以提高“抵抗力”。同时,在阴极推出了3D网状流场结构,进一步实现汽水分离。其实3D流场本质上并非什么新鲜玩意,但是丰田的创新之处,在于通过精密加工,对微观结构实现了精确控制,这点是丰田的“阳谋”之一。

最后,电堆的反应会产生水,因此,往往在电堆入口处是最容易发生“过干”问题的地方。丰田在系统上辅助增加了这个区域的湿度控制。在阳极,丰田利用氢气循环泵收集水分予以补充;在阴极,则通过增加冷却液的流量,降低温度,以减少此处的蒸发量。

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图6 丰田电堆自增湿原理示意图

自增湿很难实现吗?难!

因为电堆内部温度和湿度,维系着体系中多组平衡关系。而在电极表面温度和湿度的均匀性,在实际产品中更是难于检测。这需要大量的实验室数据积累,我个人认为这至少需要上万小时的实验数据积累。另外,因为燃料电池的工作温度(质子交换膜燃料电池工作温度一般不高于100℃)远低于发动机的工作温度,且热量要靠换热器解决,而非像燃油车一样随尾气排掉。这就意味着提高燃料电池工作温度,是减小系统换热功率,增加燃料电池系统效率的有效方法。但温度升高会让更多的水分因为蒸发随气体流失,湿度控制难度进一步增加。

小结一下:

加湿器是车用燃料电池系统中的大累赘,因此,能实现自增湿是对车用燃料电池电堆的技术要求。而丰田在这一方面可谓独步天下。

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电电混动系统模块化应用

丰田在燃料电池方面的厉害之处,还在于实现了模块化应用,以应对更大功率场景的需求。

电池系统的模块化设计,非常常见。而客观的讲,燃料电池更是非常适合模块化设计。因为相比其他电池,燃料电池的优势在于:功率和容量相互独立。这就让燃料电池模块化的形式更为灵活。而锂电池要想实现功率和容量的配比,则要从电芯设计制造时开始考虑。

丰田最新推出的燃料电池大巴SORA就充分体现了燃料电池模块化的设计思路。在这款车型上,丰田继续沿用它熟悉的电电并联混动系统。而所使用电机(Motor)、功率控制单元(PCU)和蓄电池(Battery)、甚至储氢灌与Mirai使用的规格基本相同。

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图7 SORA布置示意图

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图8 SORA与Mirai三电结构对比示意图

图7和图8,分别展示了SORA整车系统的布置示意图和三点结构图。从总体上看,SORA的结构就是两款独立的“Mirai系统”并联到变速驱动桥上。但在细节上,又有一些区别。首先,从功率单元上,SORA对每条独立的子系统分别增加了一组蓄电池。这说明系统的功率调节难度相比Mirai更大。其次,在功率单元和容量单元的配比上,每条独立的系统平均配装了5个氢气瓶,这种“肆意”增加容量而几乎不增加控制难度的情况,正是燃料电池系统的优势所在。

模块化设计虽好,但也有基本要求:因为一般情况下,模块化只能减少设计和制造成本,并不能减少材料的成本。因此,单一模块应是成本与性能控制最为平衡的设计。如果认同“燃料电池更适合大功率长续航的大型、重型车辆”,从我个人的建议:单模块设计不宜过小。那么电堆也就不宜过小。

总结:

虽然,我不敢确认SORA模块化系统一定是成熟或者成功的,但是在整套系统的进化过程中,确实能清楚的看到丰田前进的轨迹。电堆才是燃料电池系统的核心,每个电堆有自己个“个性”,需要“量体裁衣式”的开发系统。

现在,中国无疑要大力发展氢燃料电池了,而丰田是横亘在我们面前的巨人。由于丰田的开放姿态,我们也许有机会站在“巨人的肩膀“之上。不过,别忘了回头看看巨人留下的脚印。这些脚印,值得我们敬畏并学习。

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