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燃料电池汽车

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燃料电池汽车

作者:
章桐
来源:
同济大学
日期:
2017/01/09 14:45
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  得益于国家政策的支持和产学研联合团队的刻苦攻关,我国燃料电池汽车技术研发取得了较大进展,初步掌握了燃料电池电堆和关键材料、动力系统与核心部件、整车集成和氢能基础设施的核心技术,基本建立了具有自主知识产权的燃料电池轿车动力系统技术平台,也初步形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、供氢系统等关键零部件的配套研发体系,能够实现百辆级动力系统与整车的生产能力。2015年,以上汽集团为代表的我国燃料电池轿车正处于示范运行考核与应用的阶段。

  1、产业与技术总体情况

  燃料电池汽车是21世纪具有市场前景的新能源汽车之一。欧美和日韩等发达国家的燃料电池汽车关键技术瓶颈已经取得突破,燃料电池汽车的动力性能、可靠性、耐久性和环境适应性等各方面均达到传统汽车的水平,已经进入推广实证应用阶段。目前,发达国家的燃料电池汽车产业链建设已较为完善,多国政府也公布了配套基础设施建设的规划,以丰田、现代、戴姆勒、通用、尼桑、大众等为代表的国际汽车企业已经制定了2017年后开始的量产计划,燃料电池汽车已经进入了商业化的前期阶段,预计燃料电池汽车的大规模商业化应用将在2020年到来。以日本、韩国、美国、英国、德国为代表的国家,在政府政策上给予了燃料电池汽车相应的扶持,主流车企也抓住机会大力发展燃料电池汽车。

  在国家“十五”至“十二五”期间科研项目的支持下,我国在基础研究、系统集成、示范应用领域均取得了一定的进展,掌握了燃料电池汽车的核心技术,通过产学研合作培养孵化了一批系统及关键零部件生产企业。“十三五”期间,中国在相关规划纲要中也将燃料电池汽车技术列入新能源汽车之列,特别强调了发展燃料电池汽车的重要性,并计划在关键基础器件、燃料电池系统、基础设施三个方面加大研发和投入力度,攻克薄金属双极板表面改性技术、车用燃料电池耐久性技术、推进加氢站建设和燃料电池汽车示范运行等多项工作。

  在技术研发阶段,中国采用产学研协同创新机制,借助科研院校的技术和人才优势,集中力量攻克技术难题,联合企业共同制造燃料电池汽车。为了抢占技术制高点,国家863计划从“十五”开始扶持包括燃料电池发动机在内的关键零部件技术,同时大力支持动力平台技术和整车集成技术的开发和创新,强调整车和动力平台的引领与带动示范作用。特别是上汽集团集中有效资源,协同高校和关键部件供应商,通过充分的创新挖潜,攻克了燃料电池轿车动力系统集成、控制和适配等关键难点,建立了具有自主知识产权的以电电混合、平台结构和模块集成为技术特征的燃料电池汽车动力系统平台,实现了小规模的样车生产。

  2、国内外燃料电池汽车企业及相关产业发展情况

  早在1992年,丰田就启动对氢燃料电池汽车的研究。截止2015年7月底,丰田混合动力车的全球累计销量已经突破800万辆,达到804.8 万辆。2015年丰田燃料电池汽车Mirai正式推向日本、美国和欧洲市场,预计2017年美国市场的销售量达到3000辆。同时,丰田还宣布将会在全球范围内开放约5680项有关氢燃料电池技术的专利,其中包括燃料电池组1970项关键技术。

  韩国政府计划到2030年,燃料电池汽车会占到新车总销量的百分之十。在加氢站建设方面,韩国政府计划在2020将建成80个氢站,2030年达到520个,2050年达到1500个。现代汽车集团拥有十多年氢燃料电池技术研发经验,并以最早量产氢燃料电池汽车而占据行业前沿。2013年2月,ix35燃料电池汽车首次实现量产,已在全球17个国家销售。

  美国以车企主导、政府协作的方式展开燃料电池汽车的研究。2002年,美国能源部与美国汽车研究理事会成立协作机构,开发燃料电池车技术。2006年,启动国家燃料电池公共汽车计划,继续推进燃料电池汽车研发和示范工作。2010年,制定了“氢能源计划”,推动美国向以氢能源为基础的能源体系转变。2013年,通用汽车与美国陆军坦克机动车辆研究发展与工程中心联合宣布将深化在汽车氢燃料电池技术方面的合作。同年,通用汽车公司与本田汽车公司宣布在2020年前合作开发下一代燃料电池系统和氢储存技术。

  2008年,欧洲开始推进氢能源和燃料电池联合技术发展,提供大量科研经费用于燃料电池技术的研究。从2010年始,以五年为节点,计划到2020年实现车用燃料电池大规模商业化运行,到2025年使氢成为主要的交通燃料并广泛应用于可再生能源发电领域。英国计划在2030年之前保有160万辆左右的燃料电池汽车,力争至2050年燃料电池汽车在英国市场占有率达到30%~50%。

  除了整车厂之外,各个国家基本上都有开展燃料电池相关业务的公司,如加拿大的ballard与Hydrogenics、瑞典的PowerCell与OPCON、德国的PM公司与FutureE Fuel Cell公司、韩国斗山燃料电池公司等等。国内燃料电池产业相关的企业有富瑞特装(储氢材料和设备)、汉钟精机(空气压缩机)、德威新材(氢能源燃料)、同济科技(质子交换膜)、大连新源动力(燃料电池发动机及系统及关键部件)、上海神力科技(燃料电池及组件)、三环集团(燃料电池隔膜板)、贵研铂业(催化剂)、中材科技(储氢罐)以及东岳集团(质子交换膜)。

  虽然目前中国还没有一款国产燃料电池汽车实现批量生产,但是上汽、广汽、奇瑞等国内汽车制造企业开始投入精力开发氢燃料电池汽车。特别是上汽集团,通过设立前瞻事业部的设立和有效资源的投入,已实现小规模样车的生产和示范运行。同时,地方政府也积极推动燃料电池汽车的大力发展。2016年4月加拿大巴拉德公司与盐城市兴邦能源有限公司在盐城签订氢燃料电池技术转让和生产许可协议,盐城市获准生产世界先进的氢燃料电池模组。5月广东国鸿氢能科技有限公司与加拿大Ballard公司签署了电堆生产的相关合作和技术转让协议。这标志着全球领先的氢燃料电池9SSL电堆的生产线将落户中国广东,广东国鸿氢能科技有限公司将成为全球最大规模的最顶尖的氢燃料电池的生产商。同月东莞氢宇新能源科技有限公司在松山湖科技产业园推出了包括叉车燃料电池、无人机燃料电池、车载动力燃料电池在内的多款产品。

  3、燃料电池汽车技术发展特点及难点

  (1)燃料电池轿车方面:和国外典型产品的性能对比,在整车总布置、动力性、经济性、续驶里程等方面与国际的差距不大,混合动力系统集成和控制的水平差距也不大。但是燃料电池发动机的功率明显低于国外水平,国内典型轿车例如上汽的燃料电池发动机在35~50kW左右,但是国外的基本在90~100kW的水平。根本原因在我国装车的燃料电池发动机的体积比功率密度远远低于国外先进水平,而轿车可以提供燃料电池安装空间有限,从而限制了我们的燃料电池发动机的总功率。尽管在“十二五”期间我国已经突破了金属双极板电堆的关键技术,样堆的功率密度达到了2kW/L,但是该电堆还没有形成完整的燃料电池发动机并装车,而国外产品的功率密度基本在2.5~3kW/L的水平。我国燃料电池轿车的耐久性明显低于国外燃料电池轿车的水平。

  (2)燃料电池客车方面:我国产品性能的多数指标(加速时间、最高车速、续驶里程、氢气消耗量等)和国外产品水平相当,其中氢耗指标和整车成本还有一定优势。我国虽然在客车的燃料电池混合动力系统的构型和集成水平取得了一定的成绩,但是由于我国的燃料电池发动机本身的耐久性和国外相比还比较低,使得我国燃料电池客车耐久性(3000h)和寿命明显低于国外燃料电池客车(10000h)的水平。

  (3)关键零部件方面:我国与国外水平相比差距较大,尚无成熟产品,产业链配套体系不够完善。而压缩机、加湿器、氢气设备等关键部件非常重要,是影响电堆性能和寿命的关键。如空压机组件(包括空压机加上空压机电机等)不仅是限制燃料电池发动机功率密度(从而降低成本)的重要原因之一,也是影响发动机的可靠性和耐久性的重要部件。又如氢气再循环泵是解决电堆水管理的重要部件,也是影响燃料电池发动机的耐久性的重要部件,但是我国尚未有研发并批量生产的企业,需要针对这些零部件开展研制攻关和国际合作。

  (4)燃料电池汽车的示范运行与加氢基础设施建设方面:截止到2011年底,我国虽然已经完成多次燃料电池汽车的大规模示范运行,并在国内与国际上取得了较好的声誉与影响力,但与国外的燃料电池汽车示范运行相比,在行驶里程和行车数量方面都处于较低的水平。我国的燃料电池汽车示范运行仍未进入示范后的整理总结及进一步提高乃至再次示范的良性循环。从加氢站示范看,我国在加氢站的建设与运行方面与国外相比也存在一定的差距。

  4、我国燃料电池轿车技术发展的建议

  我国燃料电池汽车总体上处于技术探索和示范应用的阶段,可支持商业化的产业链尚未形成,2010年以来与国外先进水平比差距加大,主要表现在以下三个方面:一是产品的技术指标落后于国外先进技术水平。我国燃料电池汽车在工艺特性、冷启动、可靠性、耐久性等方面明显落后于国外先进水平。二是在关键技术领域所拥有的专利数目不多,技术标准未形成体系。在燃料电池汽车整车及关键零部件方面技术标准严重缺乏。三是产业能力建设滞后,基础设施建设进展缓慢。大部分企业虽将燃料电池作为长期规划但并未有实质性研发及相应投入。在燃料电池产业化方面,仍处于中试阶段。而在催化剂、双极板等关键材料领域和高压储氢罐及其它关键零部件如空压机、氢循环泵等我国基本不具备产业能力。我国目前已经建成的加氢站在数量和分布范围上都落后于国际水平。未来5-10年,要推动燃料电池汽车相关的基础研究、产品开发、产业化准备、为实现燃料电池汽车商业化奠定基础。具体建议如下:

  (1)加大燃料电池汽车相关核心技术研发的投入

  燃料电池技术难度大、研发强度高、研发周期长,国家应适当提高鼓励燃料电池汽车研发投入的权重,支持有条件的企业加快燃料电池汽车整车开发,探索不同的技术路线,努力形成具有特色的技术体系;支持关键材料和零部件的研发,提高燃料电池性能、寿命、可靠性等关键技术指标;支持开展基础研究,以降低燃料电池成本为主要目标,探索新材料、新体系,力争形成具有自主知识产权的新技术;推动建立和完善燃料电池汽车及相关技术标准体系。

  (2)降低燃料电池系统生产的成本

  燃料电池汽车在自身发展建设方面的问题主要是技术稳定性和成本控制两个方面,而对于这两个问题,行之有效的解决方案就是持续的推进技术研发资源和提高规模化效应。使得燃料电池汽车成本下降的核心在于:持续减少催化剂中铂的用量,甚至以非铂催化剂替代;质子交换膜技术研发普及,专利成本应通过产量提升而降低;新型双极板加工方法尚待挖掘,量产能力还应提高;通过推广燃料电池客车,降低整车成本,助推燃料电池产品的普及。

  (3)提升燃料电池系统的综合性能

  燃料电池车辆应该在动力系统构型、燃料电池电堆组件、高压储氢系统等多方面采用创新技术,如采用更小型、更高性能的燃料电池电堆,采用自增湿逐步替代外部增湿器,采用更高技术水平的升压DC/DC 、减少燃料电池的片数,采用可用于量产的通用型、模块化动力系统部件,减少高压氢瓶个数、提高其质量分数等措施。力争使燃料电池汽车产品获得更好的加速性能、更远的续航里程、更强的环境适应性、更长的寿命及耐久性等多方面的提升。

  (4)实现产业的协同发展

  政府部门、行业组织应当积极引导企业、社会资本支持燃料电池汽车产业能力建设。引导整车企业加强工程化开发和产业化能力建设,强化燃料电池汽车在产业发展中的地位;加强燃料电池及相关材料的产业化,引导企业、社会资本加大投入,实现关键材料和零部件的国产化;促进整车企业在燃料电池车辆技术、关键零部件研发方面的合作;积极改变我国能源结构,支持建设制氢、储氢、供氢等配套体系,积极构建氢能源社会,推进燃料电池商业化。

  (5)推动加强国际合作

  燃料电池汽车市场化发展已经在国外拉开了序幕,要抓住产业化和市场培育机会,加强国际合作和交流,促进提高我国燃料电池汽车发展水平。加强科技合作与交流,进一步明确技术路线和发展方向,合作开展技术研发和示范运行,提高燃料电池汽车整体技术水平;强化国际化布局,支持企业收购,入股国外燃料电池关键材料及零部件企业;积极参与相关国际标准制定。

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