燃料電池系統(tǒng)成本如何估算？
發(fā)布時(shí)間：
2022-06-02
當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到10萬(wàn)輛時(shí)，一個(gè)80kW的PEM燃料電池系統(tǒng)的預(yù)計(jì)成本為76美元/kW。這些成本代表實(shí)現(xiàn)8000小時(shí)公路運(yùn)行(考慮耐久性調(diào)整后的成本)。系統(tǒng)壽命一般通過(guò)組件設(shè)計(jì)、操作方法和電堆過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。
一、燃料電池系統(tǒng)耐久性目標(biāo)
當(dāng)年產(chǎn)量達(dá)到10萬(wàn)輛時(shí)，一個(gè)80kW的PEM燃料電池系統(tǒng)的預(yù)計(jì)成本為76美元/kW。這些成本代表實(shí)現(xiàn)8000小時(shí)公路運(yùn)行(考慮耐久性調(diào)整后的成本)。系統(tǒng)壽命一般通過(guò)組件設(shè)計(jì)、操作方法和電堆過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)實(shí)現(xiàn)。燃料電池電動(dòng)汽車(FCEV)的最大車隊(duì)平均道路運(yùn)行壽命狀態(tài)(從2016年起)已超過(guò)4100小時(shí)。美國(guó)能源部燃料電池系統(tǒng)的最終目標(biāo)耐久性為8000小時(shí)。
注：提供的所有系統(tǒng)成本結(jié)果都不包括氫氣循環(huán)泵。假設(shè)空氣壓縮機(jī)可以持續(xù)使用的壽命為8000小時(shí)。
二、計(jì)算經(jīng)耐久性目標(biāo)調(diào)整后的FCS成本
美國(guó)能源部氫能和燃料電池技術(shù)辦公室(HFTO)每年都會(huì)資助項(xiàng)目，以估計(jì)燃料電池系統(tǒng)的成本狀態(tài)。此外，HFTO支持跟蹤燃料電池耐久性狀態(tài)的項(xiàng)目，以10%額定功率損失前的運(yùn)行小時(shí)為單位進(jìn)行測(cè)量計(jì)算。燃料電池成本在之前是基于燃料電池系統(tǒng)在壽命初期的性能，并部分考慮了電堆或系統(tǒng)的壽命，但是汽車燃料電池系統(tǒng)(FCS)通常低于能源部的耐久性目標(biāo)。因此，HFTO將耐久性納入了成本建模工作中，以計(jì)算出經(jīng)耐久性調(diào)整后的FCS成本。這種評(píng)估將允許共同跟蹤成本和耐久性的進(jìn)展，并將為能源部提供額外的信息，以確定未來(lái)研發(fā)重點(diǎn)需求。
三、兩種計(jì)算方法
為了計(jì)算耐久性調(diào)整后的成本，根據(jù)分析的年份和建模數(shù)據(jù)的可用性，采用了兩種不同的方法，這兩種方法都考慮了BOP組件的更換成本。
第一種方法是使用車隊(duì)耐久性數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)電堆更換次數(shù)，以滿足8000小時(shí)使用目標(biāo)。
第二種方法是使用電化學(xué)表面積(ECSA)損失模型來(lái)預(yù)測(cè)電堆的耐久性，并通過(guò)電堆過(guò)設(shè)計(jì)來(lái)延長(zhǎng)工作時(shí)間。
計(jì)算方法一：
第一種方法被用于在2020年之前的幾年里調(diào)整系統(tǒng)成本。系統(tǒng)成本采用了耐久性乘數(shù)(DM)，其中DM是8000小時(shí)(能源部最終目標(biāo)持久性)和DOE狀態(tài)耐久性的比率。這代表了一種電堆更換策略，其中包含購(gòu)買新的電堆，以保證總壽命可延長(zhǎng)至8000小時(shí)。DOE耐久性基于NREL在國(guó)家燃料電池技術(shù)評(píng)估中心 (NFCTEC) 進(jìn)行的測(cè)試結(jié)果，并采用最大公路車隊(duì)平均耐久性小時(shí)值計(jì)算。經(jīng)耐久性調(diào)整的FCS成本方程如下所示，
其中Cstack是電堆成本，CBOP是原始BOP組件成本，所有成本均以 $/kW為單位。電堆成本乘以DM來(lái)表示原始電堆加上實(shí)現(xiàn)8000小時(shí)總運(yùn)行所需的任何替換電堆的成本。BOP成本乘以130%表示原始BOP組件的成本 (100%) 加上當(dāng)前可能無(wú)法持續(xù)8000小時(shí)的BOP組件的替換成本 (30%)。其中要更換的BOP組件部分包括：
(1) 包含橡膠或尼龍的閥門和軟管;
(2) 膜式空氣加濕器(如果使用)的成本，其聚合物膜在相對(duì)濕度 (RH) 循環(huán)下會(huì)降解、冷凍/解凍循環(huán)和暴露在高溫下;
(3)需要定期更換的冷卻劑泵、溫控閥和其他類似于ICEV部件的雜項(xiàng)部件;
(4) 更換部件的安裝成本。安裝成本近似為等于BOP 更換組件成本的值(即人工和材料之間的50%/50%分?jǐn)?。
這種方法的優(yōu)點(diǎn)是易于應(yīng)用，并適當(dāng)反映了總體趨勢(shì)，即壽命和成本是多種多樣的。預(yù)計(jì)未來(lái)將努力改進(jìn)成本估算方法和準(zhǔn)確性。
計(jì)算方法二：
2020年，美國(guó)能源部資助的分析項(xiàng)目通過(guò)材料改進(jìn)和系統(tǒng)設(shè)計(jì)、運(yùn)行預(yù)測(cè)了燃料電池系統(tǒng)的耐久性調(diào)整成本。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室(Argonne)模擬了運(yùn)行協(xié)議，主要通過(guò)控制通過(guò)電堆的相對(duì)濕度和空氣流速來(lái)限制高電壓，以減少因ECSA損失而導(dǎo)致的電極退化并延長(zhǎng)電堆壽命。選擇的操作溫度和相對(duì)濕度對(duì)膜的穩(wěn)定性有利，但任需要進(jìn)一步驗(yàn)證這一結(jié)論。在加上總Pt載量增加(0.175mgPt/cm2)、以及過(guò)設(shè)計(jì)和其他特性情況下，Argonne預(yù)計(jì)的輕型汽車燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)壽命可延長(zhǎng)至8000小時(shí)。因此，2020 年的系統(tǒng)成本不會(huì)增加采用過(guò)去幾年使用的電堆更換策略，而是采用優(yōu)化電堆操作和過(guò)設(shè)計(jì)的策略，以實(shí)現(xiàn)8000小時(shí)的耐久性目標(biāo)。這種基于過(guò)設(shè)計(jì)的分析類似于Argonne進(jìn)行的純電動(dòng)汽車成本分析。此外2020系統(tǒng)成本還包括額外30%的BOP更換成本，這部分成本與第一種計(jì)算方法保持一致。
相關(guān)數(shù)據(jù)分析
圖1，以每年50萬(wàn)件和10萬(wàn)件的制造速率計(jì)算的每年未調(diào)整成本(初始系統(tǒng)采購(gòu)成本)、耐久性、相應(yīng)DM和耐久性調(diào)整成本。
未調(diào)整和調(diào)整的成本，以小時(shí)計(jì)算的電堆耐久性，以及每年的耐久性乘數(shù)。*表示在美國(guó)能源部2016耐久性記錄中記錄狀態(tài)工時(shí)的一年。
圖2，根據(jù)2016年報(bào)告，80kW燃料電池系統(tǒng)的耐久性調(diào)整成本基于最高產(chǎn)量生產(chǎn)10萬(wàn)臺(tái)/年預(yù)測(cè)。
圖3，2016 - 2020年按額定功率計(jì)算系統(tǒng)設(shè)計(jì)參數(shù)和系統(tǒng)成本數(shù)據(jù)。
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