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行业综述-燃料电池乘用车

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行业综述-燃料电池乘用车

作者:
章桐
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/09/22 10:56
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一、2018年燃料电池轿车产业发展概况

 

1、国际方面,世界各国特别是日本、韩国、欧洲、美国等各大汽车企业已将部分产品投放市场,并计划进一步推进燃料电池轿车技术的更迭与开发。

 

现已投入市场量产的燃料电池轿车有丰田Mirai、本田Clarity、现代ix-35FCEV,截至2018年以上三款车型销量分别为7518、1277、255台,占比83%、14%、3%,其中2018年销量分别为2300、1277、225台。

 

现代于2018年初发布了旗下第二款燃料电池车型NEXO,并于年底在美国上市。该车最大续驶里程为805km,最高车速179km/h,百公里加速时间9.7s,动力系统峰值功率120kW,最大扭矩395 N·m,氢瓶压力70MPa,氢气加注时间5min,可实现零下30度冷启动。现代第四代氢燃料电池技术的运用使其动力效率与上一代ix-35FCEV相比提高了20%、燃料电池堆功率密度增加了30%,至2022年,现代将在全球市场销售10000辆NEXO氢燃料电池汽车。

 

奔驰研发的世界首款插电式氢燃料电池汽车GLC F-CELL于2018年11月正式交付。该车可同时通过燃料电池或锂电池提供电力,纯氢气续驶里程为430km,纯电续驶里程为51 km,最高车速160km/h,电机最大功率155kW,峰值扭矩365N·m,搭载氢气总量4.4kg,氢瓶压力70 MPa,可于3min内加满氢气。

 

丰田公司计划2020年将新款Mirai的燃料电池系统成本将降低50%,2025年进一步降至25%;本田计划2020年左右实现燃料电池车的大规模量产。

 

沃尔沃目前也在进行燃料电池技术的研发,其首款燃料电池车型或将于2027年或更早时间面市。此外,奥迪、宝马、通用等汽车界巨头也正在加紧推进氢燃料电池的开发。

 

2、国内方面,2018年中国燃料电池汽车销售量总计1527辆,其中客车销售量1418辆,占比93%,货车销售量109辆,占比7%,燃料电池客车为主流产品。

 

目前已发布的《新能源汽车推广应用推荐车型目录》中,燃料电池乘用车仅有上汽荣威950FCV这一款入选,该车型于2016年推出,续驶里程430km,最高车速160km/h,百公里加速时间12s,动力系统峰值功率110kW,搭载70MPa氢瓶,可实现零下20度低温启动。虽然尚未有进入大批量市场化销售的国产燃料电池轿车,但国内不少整车企业已在燃料电池轿车领域有所布局。

 

2018年10月,一汽首台红旗自主燃料电池发动机成功点火。该款发动机采用金属双极板单堆,系统功率可达50kW,一汽计划采用此款发动机推出红旗H5燃料电池车,并在此基础上开发100kW全功率燃料电池发动机,搭载到多款红旗轿车上;长城汽车计划在2022年推出首款燃料电池汽车;长安汽车规划2025年后推出面向大规模产业化开发的燃料电池汽车;吉利汽车新能源汽车研究院在2018年年初宣布将于2025年推出燃料电池的量产车型;广汽和奇瑞汽车也均表示正在着手进行燃料电池乘用车相关开发工作。

 

与过往相比,我国的燃料电池技术在研发能力与技术水平方面有了明显进步,但与其他国家相比,仍存在制造成本、产业链、基础设施等方面的问题,国产燃料电池轿车的商业化尚需时日。

 

二、2018年燃料电池轿车相关政策

 

1、国外方面,以日本、美国、韩国、德国为代表的世界各国继续出台政策以推进燃料电池汽车的发展。

 

日本经济产业省于2018年公布了第五期《能源基本计划》,提出了面向2030年及2050年的能源中长期发展战略,其中提到:大力推动氢社会的实现,全面实施《氢能基本战略》的相关政策措施,构建氢能制备、储存、运输和利用的国际产业链,积极推进氢燃料发电、氢燃料汽车发展,推进“氢能社会”的构建。

 

日本政府计划在2020年前实现 4万辆燃料电池汽车上路,到2025年达20万辆,2030年之前达80万辆。美国能源部长于2018年在华盛顿特区宣布投资3800万美元来支持氢和燃料电池技术的研究和开发,近来美国能源部更宣布提供3100万美元的资金来推进“H2@Scale”计划,其重点在于支持价格合理和可靠的大规模产氢、运输、存储和利用。

 

美国加州计划在2030年前实现零排放汽车500万辆、且在2025年前建成200座加氢站的宏伟目标。韩国氢能经济战略报告会上由韩国产业通商资源部正式发布的《氢能经济活性化路线图》中提到,计划于2025年将燃料电池乘用车的年产能提升至10万辆,售价降至目前的一半。

 

目前,韩国燃料电池车累计产量不足2000辆,政府计划到2022年将累计产量提升至8.1万辆,并将主要零部件国产化率提升至100%。最终目标是到2040年燃料电池车累计产量620万辆,其中290万辆面向韩国国内市场,330万辆用于出口。韩国计划2019年在7座城市推广35辆燃料电池大巴,2022年增加到2000辆,2040年进一步增至4万辆。燃料电池出租车也将于2019年在首尔试运行,到2040年增加到8万辆。

 

德国自2006年开始便开展了称为“氢和燃料电池技术国家创新计划(NIP)”的国家项目,第一期结束后,NIP2(2016-2026)随之开展,联邦政府预计期间提供14亿欧元左右为氢能与燃料电池产业开拓市场、建立基础设施。德国政府设立了在2020年达成减少10%(与2005年相比)终端能源消费的目标,为氢能燃料电池在轿车、公共汽车、重型车辆、叉车、列车、船舶等等、交通工具上的应用与商业化投入了大量资源。2018年初举行的氢动力汽车欧洲联合倡议项目(JIVE)提出欧盟将在未来提供约3700万欧元,旨在为欧洲汽车制造商制造燃料电池汽车提供经济支持。

 

2、国内方面,政策继续支持氢能与燃料电池产业发展。

 

2018年2月,中国氢能源及燃料电池产业创新战略联盟,在北京宣告成立。该组织由国家能源集团牵头,国家电网、中国一汽等17家大型企业发起,相关领域50余家机构共同参与,是跨学科、跨行业、跨部门的国家级产业联盟。补贴政策对燃料电池汽车有所倾斜,各地市也纷纷出台优惠政策,扶持氢能与燃料电池汽车产业的发展。

 

2018年2月,财政部、工信部、科技部、发改委四部委联合发布了《关于调整完善新能源汽车推广应用财政补贴政策的通知》,燃料电池汽车补贴标准不变,规定燃料电池系统的额定功率不低于驱动电机额定功率的30%,且不小于30kW。燃料电池乘用车、轻型客车和货车、大中型客车和中重型货车单车补贴上限分别为20万元/辆、30万元/辆、50万元/辆。值得注意的是,2020年电动汽车的补贴退出后,燃料电池汽车的补贴至少还将维持3至5年。5月,上海市科委印发《上海市燃料电池汽车推广应用财政补助方案》,指出燃料电池车按照中央财政补助1:0.5给予上海市财政补助,燃料电池系统功率不低于驱动电机额定功率的50%,或不小于60kW的,按照中央财政补助1:1给予上海市财政补助。我国还有北京、深圳、杭州等地区对氢能源汽车实施与国家1:1的补贴政策。

 

目前,国内有30多个城市发布了燃料电池汽车产业政策,全国已建成十多个氢能产业园区。国内氢燃料电池产业特别是燃料电池汽车领域的迅速发展,带动了区域产业集群的形成,形成了京津冀、华东、华南(佛山-云浮)、华中(武汉)四个氢燃料电池产业集群,除了北京、上海、佛山、如皋、武汉、苏州等主流城市之外,越来越多的城市为抢占先机制定了详细的氢能产业发展规划,将燃料电池作为未来发展的重要组成部分。

 

三、2018年中国燃料电池轿车技术发展概况

 

1、技术发展特点

 

1)燃料电池轿车整车方面,目前国内的燃料电池客车技术具有优势,但乘用车技术与国外水平存在一定差距,主要表现在燃料电池发动机额定功率、功率密度、续驶里程、耐久性、冷启动温度等方面。国产燃料电池发动机已从第一代迭代到第三代,电堆功率密度已经达到3kW/L,体积已经能够实现与传统四缸内燃机相当,不过并未在燃料电池轿车上搭载。

 

目前通过工信部公告的唯一一款燃料电池乘用车——荣威950FCV,其续驶里程为430km,冷启动温度为零下20度,与丰田Mirai为代表的国外量产燃料电池轿车指标相比稍显不足。

 

国内市场现存燃料电池商用车多采用30-40kW电堆,续驶里程集中在300-450km之间。一汽集团拟于2019年发布的红旗H5FCEV将搭载自主研发的50kW燃料电池电堆,这在国产燃料电池轿车的发动机功率方面获得了突破。长城汽车有望于2022年正式推出首款燃料电池车型,据称,其高端车型的电池容量将会在80-90kW,储氢量5-6kg,氢瓶压力为70MPa,而中低端车型电池容量为60-70kWh,储氢量则为3.5-4kg,氢瓶压力有35MPa和70MPa两个规格。以上指标与当前国外典型燃料电池轿车相比,差异有了进一步的缩小。

 

2)燃料电池关键材料及零部件方面,2018年燃料电池汽车产业化快速发展,燃料电池关键材料及零部件实现了不同程度的国产化。

 

在质子交换膜、气体扩散层、催化剂、双极板、密封胶等环节,东岳集团、武汉理工、江苏行动、新源动力、上海神力和氢璞创能等公司将国产化进程不断推进。

 

比如,新源动力研发的金属双极板MOD-500电堆产品功率可达100kW/120kW,功率密度达到3kW/L,耐久性达5000h,预计2019年推出。武汉喜马拉雅光电已可实现催化剂的批量生产,产能达到200g/天的规模。燃料电池系统关键零部件技术攻关难点之一的空压机,目前有不少国产化产品涌现,样机指标接近国际标准,成本降低60%,但尚未实现规模化生产。但目前GDL碳纸、加湿器、氢气循环装置尚依赖进口。

 

3)燃料电池汽车示范运营方面,截至2018年底,我国已有多地开通燃料电池公交线,包括:上海、武汉、北京、佛山、云浮、深圳、如皋、盐城、苏州、抚顺、成都、郑州、张家口、大同、张家港等地。

 

2018年新增的示范运营线路如下:8月,张家口先后投放共计74辆燃料电池客车,郑州2辆宇通公交车投入运营;9月,上海6辆燃料电池公交车上线;12月,佛山70辆燃料电池公交车正式投入运营。除了燃料电池客车以外,燃料电池物流车也在国内不少城市推广开来。

 

2018年3月,东风燃料电池专用车在上海京东物流实现交付;7月,广东佛山、云浮、中山等地完成25辆氢燃料电池厢式物流车的试运营; 9月,上海氢车熟路和上海重塑能源签署协议,氢车熟路将新增1000台配备重塑新款氢燃料电池的物流车。

 

此前于2017年末,氢车熟路购置了500辆氢燃料电池物流车,在上海地区上牌并投入运营,业务已渗透至京东、申通、宜家、盒马鲜生等配送体系。我国的燃料电池汽车示范运营以商用车为主,燃料电池轿车目前未有车型进入示范运营。

 

2、主要技术突破点

 

燃料电池发动机性能指标得到了提升。2018年10月,亿华通生产的60kW燃料电池发动机发布,其峰值功率可达80kW,整机功率密度达到我国商用车燃料电池系统2020年的技术目标300W/kg。燃料电池系统低温冷启动方面也有所突破。上汽跃进燃料电池物流车完成了零下30度使用工况的验收,这是国内首款满足零下30度冷启动的燃料电池物流车,标志着在燃料电池汽车最低启动温度上,中国与国际先进水平相当。

 

燃料电池关键材料以及零部件的国产化与性能提升取得进展。2018年10月,江苏清能成功开发出厚度为0.85mm的石墨双极板,厚度与金属双极板相当,这使石墨板燃料电池的电堆功率密度可超过4kW/L,比大多数石墨板燃料电池提高100-200%,比大多数金属板燃料电池提高20-40%。10月,山东东岳投资14.2亿元的质子交换膜规模化产线开建,拟生产150万平方米燃料电池膜及配套化学品。2018年8月,嘉兴德燃动力发布国内首款自主研发的供氢-回氢总成,采用了国际主流技术路线,将引射器与共轨喷氢阀串联,实现电控喷氢与引射回氢的结合,可获得大工况范围内的氢循环效果。

 

燃料电池成本进一步降低。在电堆成本中,催化剂的成本占比高达36%,主要原因是当前催化剂常用铂价格高昂。催化剂中Pt的用量已由10年前的0.8-1g/kW降至目前的0.1-0.4g/kW。美国能源部规划到2020年单车Pt用量将降至50克左右,而最终目标将降至每车20克,这将直接带动燃料电池汽车的成本下降30%左右。对于延缓催化剂衰减的研究也有助于延长燃料电池电堆的使用寿命,有利于使用周期成本的下降。中国科技大学研究团队设计出一种原子级分散于铂表面的氢氧化铁新型催化剂,该催化剂能够在零下75度至零上107度的温度范围内,100%选高效去除氢燃料中的微量一氧化碳。该新型催化材料可以为燃料电池在频繁冷启动和连续运行期间提供全时保护,避免燃料电池一氧化碳中毒。

 

另外,储氢、加氢技术也获得一定程度的突破。2018年1月,同济大学承担的“基于可再生能源制/储氢的70MPa加氢站研发及示范”项目顺利通过科技部高新司组织的验收。该加氢站的关键装备为风光互补发电耦合电解制氢系统、90MPa隔膜式氢气压缩机、87.5MPa钢质碳纤维缠绕大容积储氢容器、70MPa加氢机系统,各项指标与国际接轨。

 

四、技术与产业发展趋势

 

未来几年内,燃料电池轿车技术的发展将聚焦于提升功率密度、降低制造成本、提高耐久性与可靠性能等方面。例如:开发低铂、高反应效率的薄催化层膜电极,研究新型高稳定、高活性的低Pt或非Pt催化剂,研发表面改性的多涂层结构金属双极板以替代石墨双极板,攻关高温石墨化工序以实现气体扩散层的批量化生产等。

 

在氢气的制造方面,国内现以氯碱工业副产氢为主流,已经可以满足下游燃料电池车运营中对氢气的需求,天然气重整是欧美普遍采用的制氢方法,国内也广泛应用于化工行业。未来在核电及可再生能源发电成本大幅降低的情况下,电解水制氢将成为终极决方案。对于氢气的储存和运输,气氢拖车运输是目前性价比最高的选择,未来技术的发展将使得液态储氢成为主流。对于加氢站,可以显著降低运输成本的分布式制氢以及机动灵活的撬装式加氢站将不断发展,未来加氢站将是站内制氢以及站外供氢模式的有机混合。

 

五、制约燃料电池轿车发展的主要因素

 

我国燃料电池汽车产业起步很早,但目前市面上现存的燃料电池汽车基本被客车和专用车主导,鲜见燃料电池轿车的身影。究其原因,技术、成本、基础设施、氢气制取及储运仍是燃料电池轿车产业发展必须突破的瓶颈。

 

与过往相比,我国的燃料电池技术有了非常明显的进步,目前的技术水平应用于商用车领域并无问题,但也只能局限在商用车的应用。首先,国产燃料电池关键零部件缺乏生产一致性。小批量生产的产品能够达到相当的精度,但在大批量生产的条件下,精度不够理想;其次,燃料电池轿车上应用面临小型化问题。商用车车身长度没有太多局限,燃料电池、储氢瓶等的体积问题并不是关键,但乘用车的车身尺寸小,对燃料电池系统的精简集成程度以及技术标准要求更为苛刻;第三,系统可靠性要求较高。商用车在示范运行时可有专门技术团队维护,但乘用车市场无法容忍故障的频繁发生。当燃料电池轿车的首次故障里程、平均故障间隔里程至少需要达到与燃油车相近的水准之时,才可能被消费者认可。

 

燃料电池轿车的制造与使用成本也是关键问题。虽然国家会有政策倾斜、财政补贴,但如若不能有效降低制造成本,对消费者吸引力不够,对国家财政也会造成负担,长期来看并不能有效实现市场化。燃料电池系统及储氢系统占整车成本的近70%,其中电堆核心材料催化剂、质子交换膜和双极板是降本的主要突破点,主要从降低Pt载量、研发金属或复合双极板、建立规模化生产线入手。另外,还需进一步降低燃料电池发动机系统零部件的成本,实现空压机、氢气循环系统、加湿器的批量化国产。

 

我国加氢站等基础设施的短缺也大大限制了燃料电池轿车的推广。截至2018年底,我国共有26座加氢站,这与2030年百万辆保有量的宏伟目标相去甚远。当前我国加氢站建设主要面临的问题有:审批复杂、缺乏标准、成本高昂等。欲解决以上问题,需要国家政策、行业法规、资本合作等层面共同协作。

 

氢气的制取及储运仍存在成本与技术上的难点。如何便捷、环保、高效地取得廉价氢气,探索更轻便、长寿命、低成本的储氢方式,规划制氢地与加氢站的排布等问题都亟待解决。此外,对于氢气的运输、加注时可能存在的安全隐患,也必须高度注意,并制定相应的标准规程作支撑。

 

六、燃料电池轿车产业发展建议

 

欲推进我国燃料电池轿车的发展,需要全社会范围内政府、企业、科研机构的共同协作。

 

第一,延续对氢能与燃料电池汽车的政策支持,制定明确的国家战略。对于燃料电池汽车进行补贴的同时,政府还应通过一系列政策,引导、鼓励企业与科研机构进行相关研究,加快落实整车、关键材料与零部件的研发,加快推进氢能基础设施建设;同时,应从国家层面推动行业通用标准以及规范体系的建立,包括燃料电池系统以及核心零部件的标准、加氢站的建设标准和审批制度、氢气储运与加注的操作规程等。此外,将氢能作为能源管理而非危化品处理,有助于转变人们对于氢气安全性的认知偏差,加快燃料电池汽车的市场化步伐。

 

第二,加强氢能产业链建设。从氢气制取、储运和燃料电池关键材部件生产的产业链上游,到燃料电池系统集成组装的产业链中游,再到燃料电池交通/固定/便携式等领域运用的产业链下游,不可厚此薄彼,各个环节都需要打破隔阂、携手合作、实现匹配,才能进一步推进氢能社会的构筑,为燃料电池轿车的商业化奠定坚实基础。

 

第三,大力推动市场化运作。应充分利用、积极引导社会资本投入支持燃料电池汽车产业建设,保持商用车示范运营切入以增强基础设施建设、进而带动乘用车研发的路线,实现资本带动技术、技术吸引资本的良性循环。同时,加强国内外资本合作,鼓励跨国技术合作研发、企业合资与并购等。

 

第四,注重人才培养。目前燃料电池行业面临较大的人才缺口,专业人才存量稀缺,后续补充不足,高级技师、优秀工程师等制造领域专业人才的缺乏限制了我国燃料电池汽车的发展步伐。为了进一步解决人才短缺问题,需加大对科研院所燃料电池相关项目的资金和政策扶持,建立和完善行业人才发掘、培养、奖励机制,打造具有广阔视野和综合能力的人才培育团队。


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