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日本2040年燃料电池技能动态
发布时间:2019-08-05 17:30:35

日本2040年燃料电池技能动态


NEDO(日本新能源产业技能归纳开辟机构)发布了2040年日本国内的燃料电池目标方案,通通目标包罗:峰值功率义务电压0.85V、电堆功率密度9kW/L、最大义务温度120℃、耐久性大于15年、续航里程1000km、燃料电池堆资本1000日元/kW。


峰值功率义务电压0.85V

日本NEDO发布的燃料电池堆栈功用道线道中提出,至2040年,燃料电池堆最大负荷处对应的义务电压为0.85V@4.4A/cm2。下图为日本NEDO2017年发布的2040年燃料电池堆栈功用道线图,此中2030年目标峰值功率义务电压为0.66V@3.8A/cm2,催化剂担载量0.05~0.1g/kW,0.2A/cm2电流密度对应电压0.84V;2040年目标峰值功率义务电压为0.85V@4.4A/cm2,催化剂担载量0.03g/kW,0.2A/cm2电流密度对应电压1.1V。

日本燃料电池堆功用道线图(NEDO)

为取得更高功率,晋升燃料电池单电池电压是最基本的途径,但会导致阴极电位添加,变成高电位(>0.85V)。浩繁影响燃料电池寿命的因素中,高电位变成阴极催化剂衰减被认为是变成电堆功用衰减的主要因素。高电位会加剧催化剂氧化物的变成,不光会低沉催化剂Pt颗粒的活性,还会加剧Pt颗粒的降解。

另外,高电位保管的条件下,载体碳材料容易被氧化,从而将Pt颗粒与碳载体之间的结协力削弱,使Pt颗粒零落,导致催化剂颗粒电解质中融解,影响催化功用。更告急的是剥离后的Pt颗粒通过电解质或粘接剂联合一同,使得电解质阻值增大。于是,开辟价钱低廉、高活性和高稳定性的电催化剂显得尤为主要。相关催化剂衰减机理标明,可参考『燃料电池干货』推出的丰田怎样及时监测燃料电池催化剂衰减

电堆功率密度9kW/L


日本NEDO发布的燃料电池堆栈功用道线道中提出,至2040年,燃料电池堆功率密度目标值为9kW/L。目前日本国内,丰田和本田均已推出搭载峰值功率密度3.1kW/L电堆的燃料电池汽车。但比照燃料电池动力体系和燃油发动机体积可以看出,有须要进一步进步燃料电池堆功率密度。

本田燃料电池动力体系与燃油发动机比照

以本田为例,其最新一代燃料电池汽车Clarity动力体系体积与V6 3.5L燃油发动机基本相当,但电堆峰值功率为103kW,仅为V6 3.5L燃油发动机的一半。假如日本NEDO发布的燃料电池堆目标功率密度9kW/L可以完成,届时(2040年)燃料电池汽车动力体系功率密度期望超越燃油发动机,真正完成与古板汽车抗衡。

进步燃料电池堆栈功率密度可以从高活性催化剂、增强复合质子交换膜、高扰动流场、导电耐腐化薄金属双极板、电堆拼装与同等性等方面思索。

功率密度针对燃料电池堆运用场合较众,定义为燃料电池堆的峰值功率除以燃料电池堆的体积(或质料)。因为燃料电池堆体积(或质料)定义差别较大,一般燃料电池堆功率密度可分为四层级别,区分为:活性面积层、电池组层、端板层和外壳层。

最大义务温度120℃


日本NEDO发布的燃料电池堆栈功用道线道中提出,至2040年,燃料电池堆最大义务温度目标值为120℃。目前,日本丰田和本田燃料电池堆义务温度区间为75~80℃,电堆冷却液进出口温差7~15℃。

丰田Mirai燃料电池汽车主副散热器位置

和古板发动机相似,燃料电池堆义务形态下会释放大宗热量,需及时通过冷却体系向外界散热,以使燃料电池堆义务合理温度区间。由古板发动机常识可得,燃料电池堆义务越高(温差越大),散热才能越强(cmδT=Q)。

丰田Mirai燃料电池体系主副散热器示意

另外,通过进步单体电压至0.85V以上,大大淘汰电化学反响进程中发生的热量,从泉源上淘汰热量发生。于是,通过进步单体电压(>0.85V)和电池义务温度(120℃),足以置信届时燃料电池温度将轻松可控可调。


耐久性>15年


日本NEDO发布的燃料电池堆栈功用道线道中提出,至2040年,燃料电池汽车寿命超越15年。此中,燃料电池乘用车寿命超15万km,燃料电池大巴寿命超75万km,燃料电池列车寿命超100万km。

质子交换膜燃料电池耐久性与其每个部件息息相关,如质子交换膜、催化层、气体扩散层和双极板。质子交换膜的降解机制一般有两种:板滞降解和化学降解。板滞降解指质子交换膜义务湿度不时爆发改造,内部发生较大的内应力,周期性改造内应力感化下,质子交换膜强度会低沉,以致变成孔洞,告急低沉寿命。化学降解是燃料电池怠速和开道形态下,电池内部变成大宗H2O2,假如电池内部保管少许过渡金属二价离子,催化感化下,H2O2会改变成活性很强的基团,加速膜降解。

因为阴极催化层电势要比阳极高,大大都状况下阴极催化层电化学状况要比阳极催化层卑劣,于是阴极催化层更容易降解。一般催化层是由Pt/C催化剂和必定量的Nafion粘结而成,于是催化层降解主要指Pt/C催化剂降解和Nafion降解。碳载Pt催化剂的降解一般有四种机制:微晶迁移兼并机制、电化学熟化机制、Pt融解且离子导体中再重积机制、碳腐化机制。催化层Nafion和质子交换膜构成、构造相似,于是降解机制和质子膜相似。

气体扩散层一般由扩散层基质和微孔层构成。扩散层基质一般由碳纤维或碳布经疏水处理变成;微孔层由碳粉通过PTFE溶液粘结而成。一般认为气体扩撒层的降解机制有两种:板滞降解和电化学降解。板滞降解是板滞应力、气体和水冲蚀等感化下,PTFE零落低沉疏水性影响水气传输功用,同时微孔层孔径可以爆发改造以致部分零落。电化学降解是高电势条件下,气体扩散层基质中的碳纤维和微孔层中的碳颗粒爆发氧化腐化,改动构成和构造,影响功用和低沉耐久性。


续航里程>1000km


日本NEDO发布的燃料电池堆栈功用道线道中提出,至2040年,燃料电池汽车续航里程超越1000km。目前,日本丰田Mirai和本田Clarity两款燃料电池汽车满载储氢质料都为5kg(70Mpa),JC08工况下续航里程区分为650km、750km(丰田Mirai满载储氢容积122.4L,本田Clarity满载储氢容积141L)。

丰田Mirai燃料电池汽车氢罐摆放位置

本田Clarity燃料电池汽车氢罐摆放位置

JC08工况车速改造

燃料电池汽车的续航里程主要和氢气储存压力和体积相关。“燃料电池干货”了解到,目前国际主流燃料电池汽车已完成续航里程700-800公里的条件下,届时1000km公里续航里程并不难。

燃料电池堆资本1000JPY/kW


日本NEDO发布的燃料电池堆栈功用道线道中提出,至2040年,燃料电池堆资本目标值为1000日元/kW,燃料电池体系资本目标值为2000日元/kW,氢瓶资本目标值为10万日元(注:上述资本目标值均修立年产量50万套条件下)。

燃料电池汽车目前最大的课题是燃料电池组等专用部件的价钱尚高,丰田与本田的燃料电池汽车低资本偏向略显差别。丰田低资本偏向是与旗下混淆动力汽车共享电动部件,本田则是与旗下插电式汽车(PHEV)共用底盘。

丰田混淆动力汽车年销量超越100万,通过燃料电池汽车中运用HEV的部件量产效应来低沉资本。如驱动马达及逆变器采用了与车型级别接近的“雷克萨斯RX450h”相同的产品,镍氢电池则采用了与中型轿车“凯美瑞”相同的产品。当心,丰田没有让Mirai与PHEV共用底盘,启事是2015年末导入的跨过车型级别可以共用部件的丰田TNGA(丰田新型举世架构)是从第四代普锐斯开端采用,Mirai问世比第四代普锐斯早一步。

本田Clarity燃料电池汽车底盘

本田燃料电池汽车采用的计谋是通过与旗下PHEV共用底盘来低沉资本。PHEV用底盘,除了能将电池铺设地板系澜除外,后座下面的氢罐也可以换成邮箱。当然,本田FCV还完成了电动部件的通用化,如锂电池组与旗下雅阁车型通用,驱动马达与飞度EV通用。


稿件根源: 燃料电池干货
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