燃料電池系統成本如何估算？
發布時間：
2022-06-02
當年產量達到10萬輛時，一個80kW的PEM燃料電池系統的預計成本為76美元/kW。這些成本代表實現8000小時公路運行(考慮耐久性調整后的成本)。系統壽命一般通過組件設計、操作方法和電堆過設計來實現。
一、燃料電池系統耐久性目標
當年產量達到10萬輛時，一個80kW的PEM燃料電池系統的預計成本為76美元/kW。這些成本代表實現8000小時公路運行(考慮耐久性調整后的成本)。系統壽命一般通過組件設計、操作方法和電堆過設計來實現。燃料電池電動汽車(FCEV)的最大車隊平均道路運行壽命狀態(從2016年起)已超過4100小時。美國能源部燃料電池系統的最終目標耐久性為8000小時。
注：提供的所有系統成本結果都不包括氫氣循環泵。假設空氣壓縮機可以持續使用的壽命為8000小時。
二、計算經耐久性目標調整后的FCS成本
美國能源部氫能和燃料電池技術辦公室(HFTO)每年都會資助項目，以估計燃料電池系統的成本狀態。此外，HFTO支持跟蹤燃料電池耐久性狀態的項目，以10%額定功率損失前的運行小時為單位進行測量計算。燃料電池成本在之前是基于燃料電池系統在壽命初期的性能，并部分考慮了電堆或系統的壽命，但是汽車燃料電池系統(FCS)通常低于能源部的耐久性目標。因此，HFTO將耐久性納入了成本建模工作中，以計算出經耐久性調整后的FCS成本。這種評估將允許共同跟蹤成本和耐久性的進展，并將為能源部提供額外的信息，以確定未來研發重點需求。
三、兩種計算方法
為了計算耐久性調整后的成本，根據分析的年份和建模數據的可用性，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耐久性數據來估計電堆更換次數，以滿足8000小時使用目標。
第二種方法是使用電化學表面積(ECSA)損失模型來預測電堆的耐久性，并通過電堆過設計來延長工作時間。
計算方法一：
第一種方法被用于在2020年之前的幾年里調整系統成本。系統成本采用了耐久性乘數(DM)，其中DM是8000小時(能源部最終目標持久性)和DOE狀態耐久性的比率。這代表了一種電堆更換策略，其中包含購買新的電堆，以保證總壽命可延長至8000小時。DOE耐久性基于NREL在國家燃料電池技術評估中心 (NFCTEC) 進行的測試結果，并采用最大公路車隊平均耐久性小時值計算。經耐久性調整的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來表示原始電堆加上實現8000小時總運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%) 加上當前可能無法持續8000小時的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，其聚合物膜在相對濕度 (RH) 循環下會降解、冷凍/解凍循環和暴露在高溫下;
(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%分攤)。
這種方法的優點是易于應用，并適當反映了總體趨勢，即壽命和成本是多種多樣的。預計未來將努力改進成本估算方法和準確性。
計算方法二：
2020年，美國能源部資助的分析項目通過材料改進和系統設計、運行預測了燃料電池系統的耐久性調整成本。阿貢國家實驗室(Argonne)模擬了運行協議，主要通過控制通過電堆的相對濕度和空氣流速來限制高電壓，以減少因ECSA損失而導致的電極退化并延長電堆壽命。選擇的操作溫度和相對濕度對膜的穩定性有利，但任需要進一步驗證這一結論。在加上總Pt載量增加(0.175mgPt/cm2)、以及過設計和其他特性情況下，Argonne預計的輕型汽車燃料電池動力系統壽命可延長至8000小時。因此，2020 年的系統成本不會增加采用過去幾年使用的電堆更換策略，而是采用優化電堆操作和過設計的策略，以實現8000小時的耐久性目標。這種基于過設計的分析類似于Argonne進行的純電動汽車成本分析。此外2020系統成本還包括額外30%的BOP更換成本，這部分成本與第一種計算方法保持一致。
相關數據分析
圖1，以每年50萬件和10萬件的制造速率計算的每年未調整成本(初始系統采購成本)、耐久性、相應DM和耐久性調整成本。
未調整和調整的成本，以小時計算的電堆耐久性，以及每年的耐久性乘數。*表示在美國能源部2016耐久性記錄中記錄狀態工時的一年。
圖2，根據2016年報告，80kW燃料電池系統的耐久性調整成本基于最高產量生產10萬臺/年預測。
圖3，2016 - 2020年按額定功率計算系統設計參數和系統成本數據。
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