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電池知識

燃料電池有哪些局限性?

來源:未知    2019-03-08 10:44    點擊量:
作者:知乎用戶
鏈接:https://www.zhihu.com/question/23762278/answer/93530218
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燃料電池的缺陷主要有以下幾點:
1. 燃料電池本身成本高、壽命有待提高。
A)從DOE(Department of Energy)給出的報告來看,到2020年燃料電池系統(tǒng)要達到的目標是,成本:30 $/kWe;壽命:5000 h(針對PEMFC,以年產(chǎn)50萬臺計,壽命計算依據(jù)有效功率衰減10%),這相對于內(nèi)燃機來說,目前是無優(yōu)勢的。從2015年DOE年度報告整理數(shù)據(jù)如下圖 [1]。

B)以上的數(shù)據(jù)只是針對美國,對于中國,2015年車用的燃料電池壽命還在2000 h(臺架可能達到3000 h)左右,由于主要是商業(yè)示范,成本更是遠高于上圖中的數(shù)值,這也是制約燃料電池汽車商業(yè)化的重要影響因素。
C)所以當(dāng)前國內(nèi)外的研發(fā)重點是如何延長燃料電池的壽命、和降低燃料電池的成本。目前的研究重點主要有以下方面 [2]:
電極材料層次:催化劑活性的變化,膜的質(zhì)子傳導(dǎo)能力的變化;
電堆結(jié)構(gòu)層次:散熱、內(nèi)阻、氣體擴散和水汽交換等能力;
燃料電池系統(tǒng):空氣再循環(huán)技術(shù)、穩(wěn)定工況控制,啟停機策略等;
燃料電池動力系統(tǒng):動力系統(tǒng)構(gòu)型設(shè)計與優(yōu)話,車輛動力性指標確定,DC/DC的控制邏輯,動力電池匹配等。
D)清華張劍波教授 [3]有一篇文章曾對當(dāng)前車用燃料電池研發(fā)的生態(tài)進行過分析,其中燃料電池的研究文章數(shù)量越來越多(08年經(jīng)濟危機導(dǎo)致研發(fā)有下降趨勢,后又增加)
下圖是當(dāng)前燃料電池的研究領(lǐng)域細分,可以看出目前材料研究論文數(shù)量較多,尤其集中催化劑方面;在運行工況和條件方面,在水管理的文獻最多,可以看出水管理在燃料電池方面的重要性。

2. 氫氣成本:制氫、運氫、儲氫
A)目前各國雖然都在大力推廣燃料電池,但是氫氣的來源問題目前并不是最主要的問題,而是氫氣的儲存與運輸。從下圖各國建設(shè)加氫站的目標來看,距離大規(guī)模商業(yè)化還比較遠。這里不僅需要政府推動,還需要社會資本的投入與建設(shè)。
(圖來自:[2])
B)氫氣有一個特點,就是:氫脆現(xiàn)象。當(dāng)鋼收到高溫高壓氫(300 ℃,30 MPa)的作用時,引起鋼的金屬組織發(fā)生化學(xué)變化,結(jié)果使鋼的強度和塑性下降,斷口成脆性斷裂的現(xiàn)象。而由于續(xù)駛里程的要求,車載儲氫容器內(nèi)的壓力有70 MPa。所以目前儲氫罐材料為了避免氫脆現(xiàn)象的產(chǎn)生,成本都較高。
3. 實際使用也就是商業(yè)化程度不夠,數(shù)據(jù)積累不多,驗證也不多。
A)這點不用多說,因為目前燃料電池汽車商業(yè)化還是小范圍,所以得到的數(shù)據(jù)不多,自然在數(shù)據(jù)采集、驗證等等方面還不夠多。
B)這里需要提一下豐田的燃料電池汽車——Mirai, 已經(jīng)批量化生產(chǎn),性能優(yōu)異。但是年產(chǎn)量不過數(shù)千臺(2017年,北美市場預(yù)計3000臺)。
4. 生產(chǎn)不足、供應(yīng)鏈不完整
5. 技術(shù)人才不多
6. 技術(shù)標準不全面
7.基礎(chǔ)設(shè)施投資不足
以上四點,可能與技術(shù)性關(guān)聯(lián)不大,就不多談。
談了燃料電池這么多的缺點,必然要對——未來車用能源趨勢——燃料電池的優(yōu)點也要涉及一下。簡單來說,石油預(yù)計的使用年限不足百年,鋰離子電池的容量也很難大幅提高,盡管燃料電池有這么多的缺點,卻掩蓋不了它的優(yōu)越性。正因為有這么多的缺陷,所以世界各國都希望在這個領(lǐng)域多做研究,成為這個領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)者!
優(yōu)點主要有以下幾點(不分重要性排列)
1. 效率高
2. 減少溫室氣體排放
3. 減少石油消耗
4. 促進可再生能源發(fā)展——氫氣的儲存和運輸
5. 可用燃料種類多
6. 減少空氣污染
7. 可靠性高
8. 適用性廣
9. 安靜
10. 維護要求低
11. 促進經(jīng)濟增長和維持領(lǐng)導(dǎo)力的新機會

 


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