美國氫燃料電池車示范項目

　　美國能源部（DOE）國家可再生能源實驗室（National Renewable Energy Lab，NREL）長期從事氫燃料電池車的開發，該實驗室的Keith Wipke表示，從已經實施了5年多的美國氫燃料電池車示范項目的運行情況看，氫燃料電池車進入了一個新的發展階段。

　　據該實驗室的統計數據，參與此項目的氫燃料電池車已經累計行駛了114000小時，總里程達460萬km。加氫站共提供了134000kg氫燃料。氫燃料電池耐用性和續航里程等關鍵技術指標滿足了美國能源部提出的要求。

　　具體數據如下，2009年，氫燃料電池電堆的耐用性為2000小時，續航里程超過400km，加氫站的加氫成本為3美元/GGE(Gallons of Gasoline Equivalent，相當于一加侖（約3.87L）汽油的能量)。2015年上述數據將分別達到5000小時、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BP石油和雪佛龍/現代起亞參與了2009年該項目第1代和第2代車/加氫站的示范運行，戴姆勒、通用汽車和空氣產品公司將繼續參與直到2011年的該項目第1代和第2代車/加氫站的示范運行。該示范項目可從實際用戶的駕駛中收集數據并反饋給研發部門，用于今后氫燃料電池車的開發。

　　在全美58座加氫站中，舊金山、洛杉磯、底特律、華盛頓和紐約地區占33座。其中24座示范站中的15座目前仍在運行。絕大部分示范站以壓縮氫為主，此外還提供現場電解、液氫和現場天然氣的重新處理。

　　此外，NREL與NREL（Savannah River National Lab）在2009年對豐田燃料電池混合動力車FCHV-adv進行了開放式公路測試。以豐田美國銷售總部所在地的加利福尼亞Torrance為起點，終點是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，該車的實際續航里程約為690km。

豐田FCHV和日產FCV異曲同工

　　豐田FCHV-adv在日本的東京到大阪間（560km）也進行了實際路測，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，續航里程達到了830km，比在美國的路測長140km，效率為139km/kg，相當于燃油效率38km/L。

　　FCHV-adv在環境溫度35℃時可攜帶6kg氫燃料，最高時速達155km/h，可在-30℃低溫時起動。不過，目前該車的租賃價格非常高，為每月84萬日元。

　　日產也在美國加州進行了燃料電池車的實際路測，8輛奇駿燃料電池純電動車（FCV）累計行駛距離超過92萬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。并希望在今后開發中將Pt的用量減到每輛車10g。

　　豐田汽車的koichi kojima表示，從現有的分析數據上看，純電動車適于乘坐人員少的短途行駛。長距離行駛時，批量生產的燃料電池系統在重量/容量、成本方面比純電動車有巨大的潛在優勢（見圖1）。FCHV還可以包括重型卡車在內。
 

圖1 燃料電池系統與純電動車的比較

　　目前，豐田正在開發中的FCHV成本大約是FCHV-adv的25%，今后要進一步降低到10%。為此，豐田準備：1.簡化燃料電池系統和儲氫罐系統等的設計，減小燃料電池系統尺寸和重量。例如，將電流密度提高1倍，以減小一半的電極面積；將單個電池的材料數量減少一半；改進安裝和密封方法；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，電解質膜、隔膜（包括表面處理）和GDL(Gas Diffusion Layer，氣體擴散層)等；與材料供應商共同降低FCHV的材料成本。3.提高燃料電池電堆和儲氫罐等的生產技術。

　　此外，對于冰點溫度以下燃料電池的工作情況，豐田的koichi kojima表示，由于發電停止后，氣體擴散不夠充分，因此產生的水通常聚集在肋板下面（見圖2）。即使在冰點以下運行，這時產生的水仍會在一定時間內保持過冷狀態（見圖3）。因此，冷起動時需要采取一些避免凍結的措施：適當清除以減少剩余水量；增加儲水容量；通過氣體控制加快產生熱量的速度，快速提高電堆溫度（見圖4）。
 

圖2 冰點以下發電前燃料電池的內部情況

圖3 冰點以下發電時燃料電池的內部情況

圖4 快讀提高電堆溫度

　　鑒于豐田的燃料電池車開發已經取得了很大進展，總裁豐田章男2009年8月在其美國汽車研究中心發表演講時表示，計劃在未來5、6年內，為消費者提供價格合理的氫燃料電池汽車。

　　日產汽車電動化系統技術研究所所長飯山明裕在分析燃料電池膜電極組（MEA）性能劣化時指出，因高電位引起碳粒子腐蝕，電位變動引起空氣極催化劑溶解，H₂O₂引起電解質膜化學分解，電解質膜分解生成物引起空氣極催化劑毒化等原因，會導致空氣極催化劑表面積減少；空氣極催化層內氣體擴散性降低；或電解質膜質子傳導性變差。

　　通過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的問題（見圖5和圖6），可有效降低燃料電池的系統成本，進而促進燃料電池車早日進入公眾市場。
 

圖5 降低Pt用量的課題（1）

圖6 降低Pt用量的課題（2）

日本燃料電池車和基礎設施發展規劃

　　日本燃料電池車和加氫站技術已處于世界領先地位，其加氫站的普及和技術開發分別如圖7和圖8所示。
 

圖7 日本加氫站的普及示意圖

圖8 日本加氫站的技術開發

　　對于燃料電池車和基礎設施的發展，日本燃料電池商業化協會(FCCJ)將其分為四個階段：

　　2010年之前屬于技術示范階段。主要解決技術問題。此期間將建約1000座加氫站，燃料電池車數量約為200萬輛，并確定商業型加氫站的規范。

　　2011~2015年是技術與市場示范階段。繼續解決技術問題，并根據情況促進和評審各種規章與條例。從社會及經濟角度驗證燃料電池車和加氫站的利用。2015年開始普及大眾化燃料電池車。

　　2016~2025年進入商業化初期階段。擴大燃料電池車的生產和銷售，通過更多車型增加燃料電池車數量，同時保證使用者的便利性；降低氫燃料和加氫站的成本；繼續技術開發，評審各種規章與條例。2016年開始建設商業型加氫站，在2025年達到2000座。

　　從2026年開始，燃料電池車和加氫站進入全面商業化階段。將可以實現能源的多樣化，大幅降低二氧化碳的排放。