2016-11-15 10:10:14

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燃料电池汽车的工作原理是,作为燃料的在汽车搭载的燃料电池中,与大气中的氧气发生氧化还原化学反应,产生出电能来带动电动机工作,由电动机带动汽车中的机械传动结构,进而带动汽车的前桥(或后桥)等行走机械结构工作,从而驱动电动汽车前进。

核心部件燃料电池。燃料电池的反应结果会产生极少的二氧化碳和氮氧化物,副产品主要产生水,因此被称为绿色新型环保汽车。

基本信息

  • 中文名

    燃料电池汽车

  • 外文名

    Fuel cell vehicles (FCV)

  • 采用材料

    甲醇、天然气、汽油等

  • 别称

    绿色的新型环保汽车

  • 技术优点

    近似零排放、减少了水污染等

  • 发展方向

    超微型汽车、纯电动汽车等

折叠 编辑本段 动力

燃料电池汽车是电动汽车的一种,其核心部件燃料电池。通过氢气和氧气的化学作用,而不是经过燃烧,直接变成电能动力。

燃料电池汽车的氢燃料能通过几种途径得到。有些车辆直接携带着纯氢燃料,另外一些车辆有可能装有燃料重整器,能将烃类燃料转化为富氢气体。

单个的燃料电池必须结合成燃料电池组,以便获得必需的动力,满足车辆使用的要求。

2001年以来,在世界范围内燃料电池技术已经取得了重大的进展。在开发燃料电池汽车中仍然存在着技术性挑战,如燃料电池组的一体化,提高商业化电动汽车燃料处理器和辅助部汽车制造厂都在朝着集成部件和减少部件成本的方向努力,并已取得了显著的进步。

世界著名汽车制造厂,如戴姆勒-克莱斯勒、福特、丰田和通用汽车公司宣布在2004年以前将燃料电池汽车投向市场。

折叠 编辑本段 特点

与传统汽车相比,燃料电池汽车具有以下优点:

1、零排放或近似零排放。

2、减少了机油泄漏带来的水污染。

3、降低了温室气体的排放。

4、提高了燃油经济性。

5、提高了发动机燃烧效率。

6、运行平稳、无噪声。

折叠 编辑本段 关键技术

电动汽车的关键能源动力技术包括电池技术电机技术、控制器技术。电池技术、电机技术和控制器技术是电动汽车所特有的技术,这3项技术也是一直制约电动汽车大规模进入市场的关键因素。

折叠 电池技术

电池是电动汽车的动力源泉,也是一直制约电动汽车发展的关键因素。电动汽车用电池的主要性能指标是比能量(E) 、能量密度(Ed)、比功率(P)、循环寿命(L)和成本(C)等。要使电动汽车能与燃油汽车相竞争,关键就是要开发出比能量高、比功率大、使用寿命长的高效电池。

电动汽车用电池经过了3代的发展,已经取得了突破性进展。

第1代是铅酸电池,目前主要是阀控铅酸电池(VRLA) ,由于其比能量较高、价格低和能高倍率放电, 因此是目前惟一能大批量生产的电动汽车用电池。

第2代是碱性电池,主要有镍镉、镍氢、钠硫、锂离子和锂聚合物等多种电池,其比能量和比功率都比铅酸电池高,因此大大提高了电动汽车的动力性能和续驶里程,但其价格却比铅酸电池高。

第3代是以燃料电池为主的电池,燃料电池直接将燃料的化学能转变为电能,能量转变效率高,比能量和比功率都高,并且可以控制反应过程,能量转化过程可以连续进行,因此是理想的汽车用电池还处于研制阶段,一些关键技术还有待突破。

广泛应用于电动汽车的燃料电池是一种称为质子交换膜的燃料电池(PEMFC) ,它以纯氢为燃料,以空气为氧化剂,不经历热机过程,不受热力循环限制,因此能量的转换效率高,是普通内燃机热效率的2~3倍。同时,它还具有噪音低、无污染、寿命长、启动迅速、比功率大和输出功率可随时调整等特性,使得PEMFC非常适合用作交通工具的动力源。

折叠 电机技术

电动汽车驱动电机是所有电动汽车必不可少的关键部件。使用较多的有直流有刷永磁无刷交流感应开关磁阻4种电机。

直流有刷电机结构简单,技术成熟,具有交流电机所不可比拟的优良电磁转矩控制特性,所以直到20世纪80年代中期,仍是国内外电动汽车用电机的主要研发对象。但是,由于直流电机价格高,体积和质量大,因此在电动汽车上的应用受到了限制。

永磁无刷电机可以分为由方波驱动的无刷直流电机系统(BLD- CM)和由正弦波驱动的无刷直流电机系统(PMSM) ,它们都具有较高的功率密度,其控制方式与感应电机基本相同,其主要优点是效率可以比交流感应电机高6个百分点,因此在电动汽车上得到了广泛的应用,是当前电动汽车用电动机的研发热点。这类电机具有较高的能量密度和效率,其体积小、惯性低、响应快,非常适应于电动汽车的驱动系统,有极好的应用前景。但价格较贵,永磁材料一般仅耐热12c=0I以下。目前,由日本研制的电动汽车主要采用这种电机。

交流感应电机也是较早用于电动汽车驱动的一种电机,它的调速控制技术比较成熟,具有结构简单、体积小、质量小、成本低、运行可靠、转矩脉动小、噪声低、转速极限高和不用位置传感器等优点,但因转速控制范围小、转矩特性不理想,因此不适合频繁启动、频繁加减速的电动汽车。美国以及欧洲研制的电动汽车多采用这种电机。

开关磁阻电机(SRM)具有简单可靠、可在较宽转速和转矩范围内高效运行,控制灵活、4象限运行、响应速度快和成本较低等优点。但实际应用发现,SRM存在着转矩波动大、噪声大、需要位置检测器等缺点,所以应用受到了限制。

4种电机各有优缺点,但是对于电动汽车而言,由于电能是由各类电池提供的,价格昂贵而弥足珍贵,所以使用相对效率最高的永磁无刷电机是较为合理的,它已被广泛应用于功率小于100kW 的现代电动汽车上。

在国外已有越来越多的电动汽车采用性能先进的电动轮(又称轮毂电机),它用电机(多为永磁无刷式)直接驱动车轮,因此无传统汽车的变速器、传动轴、驱动桥等复杂的机械传动部件,汽车结构大大简化。但是它要求电机在低转速下有很大的扭矩, 特别是对于军用越野车,要求电机基点转速:最高转速=1:10。近几年,美、英、法、德等国纷纷将电动轮技术应用于军用越野车和轻型坦克上,并取得了重大成果。

折叠 控制器技术

控制器技术的变速和方向变换是靠电动机调速控制装置来完成的,其原理是通过控制电动机的电压和电流来实现电动机的驱动转矩和旋转方向的控制。目前电动汽车上应用较广泛的是晶闸管斩波调速,通过均匀改变电机的端电压,控制电机的电流,来实现电机的无级调速。在电子电力技术的不断发展中,它也逐渐被其他电力晶体管(如GTO、MOSFET、BTR及IGBT 等)斩波调速装置所取代。从技术的发展来看,伴随着新型驱动电机的应用,电动汽车的调速控制转变为直流逆变技术的应用将成为必然的趋势。

在驱动电机的旋向变换控制中,直流电机依靠接触器改变电枢或磁场的电流方向,实现电机的旋向变换,这使得控制电路复杂、可靠性降低。当采用交流异步电机驱动时,电机转向的改变只需变换磁场三相电流的相序即可,可使控制电路简化。此外,采用交流电机及其变频调速控制技术,使电动汽车的制动能量回收控制更加方便,控制电路更加简单。

二十一世纪以来,由感应电动机驱动的电动汽车几乎都采用矢量控制和直接转矩控制。矢量控制又有最大效率控制和无速度传感器矢量控制,前者是使励磁电流随着电动机参数和负载条件的变化,从而使电动机的损耗最小、效率最大;后者是利用电机电压、电流和电机参数来估算出速度,不用速度传感器,从而达到简化系统、降低成本、提高可靠性的目的。直接转矩控制克服了矢量控制中解耦的问题,把转子磁通定向变换为定子磁通定向,通过控制定子磁链的幅值以及该矢量相对于转子磁链的夹角,从而达到控制转矩的目的。由于直接转矩的控制手段直接、结构简单、控制性能优良和动态响应迅速,因此非常适合电动汽车的控制。

随着电机及驱动系统的发展, 控制系统趋于智能化和数字化。变结构控制、模糊控制、神经网络、自适应控制、专家系统、遗传算法等非线性智能控制技术,都将各自或结合应用于电动汽车的电机控制系统。它们的应用将使系统结构简单,响应迅速,抗干扰能力强,参数变化具有鲁棒性,可大大提高整个系统的综合性能。

折叠 编辑本段 优势

1.氢是世界上最多的元素,氢气来源极其广泛并且是可再生资源,所以用氢气作为“燃料”似乎最合适不过。

2.由于燃料电池化学能直接转换为电能,相比内燃机的燃烧作用不会产生大量废气与废热,转化效率更可超过50%(内燃机转化效率为10%),排放物也只有水,也不会对环境温度造成影响。

3.使用寿命长于电化学电池并且电池维护工作量很小。

​ 4.相比于纯电动车的充电时间来说,燃料电池加注氢气的时间很短,几乎与内燃机汽车添加燃油时间相当,大约在3-5分钟左右。[1]

折叠 编辑本段 ​评价

储能装置是电动汽车的核心零部件,尤其是纯电动汽车。目前通常使用的储能装置有两种,即蓄电池和超级电容,而使用最广泛的是蓄电池。蓄电池也有很多种,其主要问题表现在以下几个方面:①电池的可靠性达不到车用的苛刻要求;②电池使用寿命短,深度放电时循环次数达不到车用要求;③充电时间长;④蓄电池尺寸和质量的制约;⑤环境适应性较差;⑥电池在使用过程中单体电池健康状态变化不一致,严重影响整体性能;⑦功率密度和能量密度低;⑧存在二次环境污染问题。

驱动电机及其控制系统的可靠性和耐久性达不到要求

驱动电机及控制系统是电动汽车的又一个关键部件,电机本体的设计和制造技术来源于一般工业电机,要成功用于汽车工业,需要一定时间的技术积累。更为重要的是,目前电机控制器的关键元件IGB T制造技术还掌握在少数几个发达国家手中,最先进的IGB T进

口还受到限制,严重制约了我国汽车工业电气化发展水平。驱动电机及控制系统要像内燃机一样满足汽车工业苛刻的使用要求,取代内燃机成为汽车的心脏,目前的技术水平还达不到。

整车制造成本和使用成本难以被大多数厂家和用户所接受

纯电动汽车的出现早于内燃机汽车,目前纯电动汽车在市场竞争中处于不利地位,其主要原因是制造成本和使用成本高以及社会基础配套设施不完备,车载储能技术不解决,纯电动汽车很难取得市场认可。混合动力还是以节油、环保和时髦为买点,但是在未来一段时间内,混合动力车节约的燃油费用还不能平衡初期多投人的购买成本, 消费者的低收入和缺乏环保意识以及低燃油税率,使市场倾向于内燃机汽车的局面在短时期内不能改变。

由于其高昂的制造成本和缺乏氢补充基础设施,在未来15年内,氢燃料电池的产业化前景并不被看好。

大力发展纯蓄电池驱动的超微型汽车

这种汽车降低了汽车的动力性和续驶里程的要求,充电过程比较简单,车速不高。较适合于市内或社区小范围内使用。由于多数采用了镍氢电池、镍镉电池、锂离子电池等高性能电池,车辆性能较有保证,已进人小批量试生产阶段。比如,日本的Hypermini采用了高性能锂离子电池,最高时速为90km, 一次充电可行驶115km,它是一款适合未来城市道路行驶的家庭轿车。

进一步加强驱动电机的研究

美国倾向于采用交流感应电机,其主要优点是结构简单、性能可靠,质量较小,但控制器技术较复杂;日本多采用永磁无刷直流电机,其优点是效率高,启动扭矩较大,质量较小,但成本较高,且有高温退磁、抗振性较差等不足;德国、英国等大力开发开关磁阻电机,优点是结构简单、可靠,成本较低,缺点是质量较大,易于产生噪声。目前我国也研制成了稀土永磁无刷直流电机和开关磁阻电机, 电机的使用尚无定论,有待今后在使用中考验。

立足混合动力。逐步过渡到纯电动汽车

由于受到蓄电池性能的严重制约,使纯蓄电池型电动汽车的产业化进程举步维艰,于是混合动力汽车成了内燃机汽车和电动汽车之间的过渡产品,既充分发挥了现有内燃机技术优势,又尽可能发挥电机驱动无污染的优势。混合动力汽车将现有内燃机与一定的储能元器件通过先进控制系统相结合,可以大幅度降低油耗,减少污染物排放,同时技术成熟,价格便宜。3。4 最终目标是燃料电池汽车

燃料电池汽车在成本和整体性能上,特别是行程和补充燃料时间上明显优于其他电池的电动汽车,并且燃料电池所用的燃科(甲醇、汽油、柴油、天然气等)来源广泛,又可再生,并可实现无污染、零排放等环保标准。所以燃料电池轿车已成为世界各大汽车公司21 世纪初激烈竞争的焦点。日本政府对于单车的补贴数额也是巨大的,但是相对于纯电动汽车的实际价格来说,补贴还是比较小的,尤其是相对传统车型,纯电动汽车在价格上仍处于劣势。此外,这次补贴是针对公共服务领域,并没有惠及个人消费者,就中国的汽车消费市场来说,个人消费者才是汽车消费的主力军,而且个人消费者对于公共部门来说对汽车价格更敏感。因此与欧美日相比,中国在支持电动车消费的政策上做得还不够。

中国对产业的组织协调力度不够

纯电动汽车的研发在中国进行得如火如荼。由于这个行业的门槛比较低,而国家没有进行有效的引导和管理,从而导致了各大汽车企业、科研院所及各个省市纷纷立项,重复建设问题非常突出,形同一盘散沙,没有形成共同技术研发平台和资源共享,在一定程度上《东洋经济》报道:"当代技术革命将彻底改变2l世纪汽车业的面貌,这一改变就是在近几年出现的燃料电池车"。尽管传统的内燃机汽车仍在当今世界占据主导地位,但发展清洁无污染的电动汽车已是大势所趋,也是世界各国的必然选择。目前,在电动汽车的商业化运作上,虽然从产品技术和市场开发等方面取得了一些经验和进步,但仍还面临许多亟待解决的问题。这些存在问题的解决,需要技术人员的努力,更造成了社会资源的浪费,不利于纯电动汽车的发展。

纯电动汽车相关基础设施的建设十分落后

制约电动车发展的因素除了高成本和高价格外,充电的便捷性是制约纯电动汽车产业化的另一个主要障碍。纯电动汽车的发展需要有相关的配套设施,如充电站或更换电池的换电站等基础设施,而目前国内相关基础设施的建设几乎是一片空白。此外,由于纯电动汽车相关基础设施建设所需的投资巨大,不是凭企业一己之力能够实现的,这就需要政府部门和相关企业共同努力寻找解决方案。

技术发展不成熟

纯电动汽车的研发最大的瓶颈就是电池。虽然纯电动汽车电池的性能已经有了很大的提高,而且相对于中国大多数的乘用车都是在城镇中行驶,有距离短、速度慢的特点,目前的电池技术在一定程度上需要政府和社会的大力支持。可预见,未来的汽车将是由电气、机械和控制技术运行的车辆,电动汽车势必成为2l世纪重要的绿色交通工具。

折叠 编辑本段 研究

折叠 实例

​FCEV是一种地面车辆,仍然保留了车辆的行驶系统、悬挂系统、转向系统和制动系统等。

FCEV是以电力驱动为惟一的驱动模式,其电气化和自动化的程度大大高于内燃机汽车,早期用内燃机汽车底盘改装的FCEV,在汽车底盘上布置了氢气储存罐或甲醇改质系统,燃料电池发动机系统,电气控制系统和电机驱动系统等总成和装置,在进行总布置时受到一些局限。燃料电池燃料电池新研发的FCEV采用了滑板式底盘,将FCEV的氢气储存罐和供应系统、燃料电池发动机系统、电能转换系统、电机驱动系统、转向系统和制动系统等,统统装在一个滑板式的底盘中,在底盘上部可以布置不同用途的车身和个性化造型的车身。采用多种现代技术,以计算机控制为核心和电子控制的"线传"系统(Control-by-wire),CAN总线系统等,使新型燃料电池电动车辆进入一个全新的时代。

FCEV按主要燃料种类可分为:①以纯氢气为燃料的FCEV;②以甲醇改质后产生的氢气为燃料的FCEV。

FCEV按"多电源"的配置不同,可分为:①纯燃料电池FCEV;②燃料电池与蓄电池混合电源的FCEV;③燃料电池与蓄电池和超级电容器混合电源的FCEV。后2种多电源的配置方式是FCEV的主要配置方式。辅助电源用于提供起动电流和回收制动反馈的电能。

折叠 国外现状

长期以来,世界各国政府和主要汽车集团都高度重视燃料电池汽车研发,投入大量资金用于燃料电池汽车及氢能研发、试验考核和市场培育。继在第六框架计划中拿出大量资金用于燃料电池汽车和氢能研究,2009年,欧盟批准燃料电池和氢能技术项目行动计划,计划从欧盟第七框架计划中拿出4.7亿欧元,持续资助燃料电池汽车及基础设施技术研发。德国政府高度重视燃料电池汽车及氢能研发,交通部、环境署、经济部等部门联合启动燃料电池及氢能国家创新计划,拟与企业联合资助14亿欧元,用与燃料电池汽车、氢能等关键技术研发,以确定德国在燃料电池汽车领域的国际领先地位和竞争力。以经产省为代表的日本政府高度重视并持续开展燃料电池汽车和氢能开发,在过去30年时间内先后投入上千亿日元用于燃料电池汽车和氢能的基础科学研究、技术攻关和示范推广。隶属于经产省的燃料电池商业化组织(FCCJ)先后与2009年7月和2010年7月发布了《燃料电池汽车和加氢站2015年商业化路线图》,明确指出2011年-2015年开展燃料电池汽车技术验证和市场示范,随后进入商业化示范推广前期。为落实燃料电池汽车在日本的推广,2011年1月,包括丰田、本田、尼桑三大汽车厂商在内的日本13家汽车和能源企业共同签订协议,决定在东京、大阪、名古屋和福冈四大都市圈的市区和高速公路上建立100座加氢站,并通过完善设计、改善生产技术等方法大幅降低燃料电池汽车生产成本,培育燃料电池汽车市场。美国政府对燃料电池汽车支持在布什任职期间达到顶峰,在奥巴马政府期间,美国能源部宣布从美国振兴计划(American Recovery and Reinvestment Act Funding)中拨款4190万美元支持燃料电池特种车的研发和示范,另在2011年美国财政预算中安排5000万美元用于燃料电池和氢能技术研发。此外,加拿大、韩国、澳大利亚、巴西、法国和英国等国家政府积极支持燃料电池汽车和氢能研发。2009年,戴姆勒、福特、通用、丰田、本田和现代汽车6个世界主要汽车公司签署备忘录,持续开展燃料电池汽车研发,计划于2015大力推广燃料电池汽车,并快速形成几十万辆燃料电池汽车保有量。

经过长时间、持续稳步的支持,国外燃料电池汽车产品的可靠性、环境适应性(如低温启动性能)取得了重大突破,示范运行不断深入,并陆续推出用于租赁商业化示范的先进燃料电池汽车,燃料电池汽车进入技术与市场示范阶段。产品成本控制与配套基础设施建设成为制约燃料电池汽车商业化推广主要因素。

美国

20世纪60年代和70年代,美国首先将燃料电池用于航天,作为航天飞机的主要电源。此后,美国等西方各国将燃料电池的研究转向民用发电和作为汽车、潜艇等的动力源。世界各著名汽车公司相继投入较多的人力和物力,开展燃料电池电动汽车的开发研究。在北美,各大汽车公司加入了美国政府支持的国际燃料电池联盟,各公司分别承担相应的任务,生产以新的燃料电池作动力的汽车。美国通用汽车公司在美国能源部的资助下,推出了以质子交换膜燃料电池(PEMFC,也称为离子交换膜燃料电池或固体高聚合物电解质燃料电池)和蓄电池并用提供动力的轿车。美国福特汽车公司现已研制出从汽油中提取氢的新型燃料电池,其燃料效率比内燃机提高1倍,而产生的污染则只有内燃机的5%。

加拿大

巴拉德(Ballard)汽车公司是PEMFC燃料电池技术领域中的世界先驱公司,自1983年以来,Ballard公司一直从事开发和制造燃料电池。1992年巴拉德公司在政府的支持下,为运输车研制了88kM的PEMFC动力系统,以PEMFC为动力做试验车进行演示。1993年巴拉德公司推出了世界上第一辆运用燃料电池的电动公共汽车样车,装备105kW级PEMFC燃料电池组,能载客20人,对于一般城市公共汽车,采用碳吸附系统储备气态H2即可连续运行480km。目前,Ballard燃料电池的体积功率已达到1kW/L的目标。

日本

在日本燃料电池系统发展中丰田公司处于领先地位。丰田的目标是开发能量转换效率达到传统汽油机2.5倍的燃料电池,且能和现用的汽(柴)油汽车一样方便地添加燃料。日本还在1981年开发了熔融碳酸盐燃料电池(MCFC),随后又研制了磷酸燃料电池(PAFC),1992年又开发了比功率高、工作温度低、结构紧凑和安全可靠的质子交换膜燃料电池(PEMFC)。

德国

德国奔驰公司和西门子公司合作于1996年推出了装有PEMFC的NECARll小客车。2009年,德国主要的汽车和能源公司就与政府联合启动了"H2MobilityInitiative"计划。按照计划,德国将在2015年建成1000个加氢站,开始实现燃料电池动力汽车的大规模商业化,到2020年将有100万辆电动车和50万辆燃料电池汽车投入使用。

2011年1月,奔驰公司研发的3辆燃料电池原型车,横跨4大洲、14个国家,完成绕地球行驶1周的创举。此外,奔驰在德国还有36辆氢燃料电池大巴,已收集到200万千米的运行数据,目前的氢料燃大巴比早期的燃料消耗降低了50%,性能和行驶里程均显著提高。

法国

开发出使用"运程"燃料电池的电动汽车"Fever",它以低温储存的氢和空气作燃料,发电功率达20kW,电压为90V,且采用先进的电子控制系统对电力系统进行控制,并把制动时产生的能量储存在蓄电池里,以备汽车起动或加速时使用。

英国

1992年成立了国家燃料电池开发中心。英国燃料电池技术的开发重点在燃料供应、重整炉、气体净化和空气压缩等方面。质子交换膜燃料电池的研究重点是改善催化材料的性能并探索铂(Pt)催化剂的涂覆方法,降低铂(Pt)含量,提高铂(Pt)利用率和耐受CO的允许值。

韩国

韩国现代已经推出第三代燃料电池电动车ix35。ix35完全由氢燃料电池驱动,这款零排放SUV是在2010年由200多名设计师在韩国现代的燃料电池研发中心设计完成。

折叠 国内现状

大力发展新能源汽车是应对全球能源短缺和环境污染的重大战略举措。在众多的新能源汽车中,燃料电池汽车因其具有零排放、效率高、燃料来源多元化、能源可再生等优势而被认为是未来汽车工业可持续发展重要方向,是解决全球能源问题和气候变化理想方案,因此,世界主要国家和组织投入大量资金用于燃料电池汽车关键技术攻关。目前,国际燃料电池汽车现已进入技术与市场示范阶段。在国际竞争日趋激烈环境中,随着技术研发和试验考核不断深入,我国燃料电池汽车面临着发展后劲不足,技术创新突破难、产业化基础薄弱、专业人才缺乏等难题,严重阻碍了我国燃料电池汽车技术进步,因此,我国要抓住新能源汽车战略性新兴产业培育和发展的政策机遇,发挥政策引导作用,聚焦重大、重点突破燃料电池汽车关键技术和共性技术,稳步推进燃料电池汽车技术进步。

在国家"十五""863"计划电动汽车关键技术重大科技专项和"十一五"节能与新能源汽车重大项目支持下,我国燃料电池汽车技术研发取得重要进展,基本掌握了整车、动力系统与关键零部件的核心技术;建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动力系统技术平台;形成了燃料电池发动机、动力电池、DC/DC变换器、驱动电机、储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系,具有百量级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力。研制的"超越"系列、"上海牌"、"帕萨特"、"奔腾"、"志翔"等燃料电池汽车经受住了大规模、高温、大强度示范考核,成功服务于2008北京奥运会和2010年上海世博会。在燃料电池关键基础技术研究方面,开发出高活性、抗聚集的电催化剂,以及高比表面积、抗氧化的担体,开发出了与国际商品化水平相当的增强型符合自增湿质子交换膜,研制出高导电性/高稳定性碳纸,初步解决了双极板的抗腐蚀和导电性问题,掌握了丝网印刷膜电极技术。在燃料电池汽车整车及动力系统平台前沿技术方面,建立了燃料电池汽车动力系统平台设计理论和方法,探索了基于模块化思想的整车柔性适配技术,研发了燃料电池汽车功率控制单元及其它关键零部件,开展了燃料电池汽车整车可靠性、电安全、氢安全、一体化热管理、智能容错控制、碰撞安全性等关键技术研究。在公共平台建设方面,形成了燃料电池汽车开发软、硬件测试环境,建立了国家级燃料电池、系统平台和车辆工程技术中心或测试基地,制定了8条燃料电池汽车及氢能专用国家标准。但是,受限于传统车辆开发技术水平、燃料电池发动机功率密度、动力系统可靠性、整车环境适应性等性能限制以及商业推广模式研究和基础设施建设滞后等因素,我国燃料电池汽车仍然处于技术验证与特定考核试验考核阶段。

燃料电池汽车是"十五"期间全国12个重大研究专项之一。其中,质子膜关键技术被列为山东省第一号科技攻关项目,取得了重大突破。辽宁新源动力股份有限公司承接国家"863"重大科研项目,研制了200KW、110KW、60KW、30KW、10KW、5KW燃料电池系统、燃料电池电站、便携式电源等产品。在"十一五"期间,中国将继续加大对燃料电池汽车的研发投入,推动核心技术产业化。

2008年奥运会,23辆燃料电池汽车示范运行7.6万公里。到了2010年世博会,这个数字上升到196辆和91万公里。2012年3月两会期间,科技部电动汽车重大项目管理办公室副主任甄子健认为,燃料电池汽车在5到10年后,将可以像近两年的电动汽车一样,通过示范运行进入商业化销售阶段。

折叠 对比分析

(一)燃料电池整车集成技术

如表1所示,我国自主开发的燃料电池汽车在车型开发、整车动力性、续驶里程、燃料电池发动机功率等方面与国外存在一定的差距,在等效燃料经济性水平和车辆噪声水平与国外基本处于同一水平。

在燃料电池汽车车型平台开发方面,国外已经由基于传统车辆平台改造形成燃料电池汽车模式走向为燃料电池汽车打造全新整车平台阶段,如本田汽车公司Clarity,丰田汽车公司FCHV,戴姆勒奔驰公司F-Cell和通用公司Chevrolet Equinox等均是为燃料电池汽车动力系统技术平台而全新打造的专用化整车平台,基于这些整车平台,国外汽车公司开展了如空气动力学性能、轻量化、车身碰撞安全性、底盘系统主动控制以及面向舒适性的人机界面与人机工程等研究。在国内,以上汽股份、上海大众、一汽、长安、奇瑞等公司为代表开发的燃料电池轿车均基于传统内燃机车辆进行改制,尚未掌握燃料电池汽车专用车身开发、底盘开发、底盘动力学主动控制等关键技术,与国外存在较大差距。

在车辆动力性能方面,主要受限于燃料电池功率输出水平和整车集成及轻量化技术水平,我国燃料电池汽车整车加速性能明显低于世界主流燃料电池汽车加速性能。

在车辆续驶里程方面,到目前为止,我国基本掌握了35MPa高压储氢和加注系统关键技术,实现高压氢气瓶等部件国产化开发,但某些关键阀门、传感器还依赖进口,70MPa氢气存储关键技术和关键部件仍然处在研发阶段,其直接制约了我国燃料电池汽车续驶里程提高。

在整车燃油经济性水平、车外噪声水平上。我国燃料电池汽车与国外同类型汽车处于同一水平甚至领先地位(参考2006年法国必比登挑战赛结果,燃油经济性等效为传统内燃机汽油消耗:3-3.5L/100公里,车外加速噪声维持在70dB左右)。

注: 1-中国城市循环工况;2-NEDC工况;3-EPA工况。

(二)燃料电池发动机技术

在燃料电池发动集成度方面,我国轿车用燃料电池发动机输出功率等级、功率密度等性能参数明显低于国外同类型燃料电池汽车用燃料电池技术性能(国外燃料电池电堆质量功率密度已超过1600W/kg,体积功率密度已超过2700W/L;而国内燃料电池电堆质量功率密度维持在700W/kg左右,体积功率密度维持在1000W/L左右)。

在燃料电池发动机环境适应性尤其是低温冷启动性能方面,国外燃料电池汽车已经实现甚至环境中冷启动,并在北欧瑞典地区开展冬季寒冷工况下实车道路实验。相比国外,我国燃料电池汽车冷启动性能基本上还处在水平,燃料电池电堆也仅在实验室中实现环境中启动。

在燃料电池发动机可靠性、寿命方面,国外燃料电池电堆2010年寿命水平比2003年提高两倍,其中燃料电池质子交换膜已经超过7300h(采用美国3M公司的MEA),电堆实验室寿命提高到5000h以上,安全性和可靠性水平基本达到了传统内燃机汽车同等水平。在整车可靠性和寿命方面,其性能已经基本满足整车产品需求。戴姆勒奔驰汽车开发的F-Cell系列样车已经进行了总共超过450万公里的路试。美国UTC公司通过改进燃料电池系统控制策略,规避或减缓由起停、动态加载、低载怠速、零下储存与启动等过程导致的燃料电池寿命衰减,其与AC Transit运输公司合作在加州奥克兰市开展燃料电池汽车示范运行,截至2010年6月底,其120kW的燃料电池系统(PureMotion Model 120)在没有更换任何部件情况下运行了7000h,远远超过了美国能源部制定的2015年5000h寿命目标。相比国外,我国燃料电池汽车虽然经受住了北京奥运会、美国加州示范运行和上海世博会等大型国际活动的高温、高强度示范运行考验,但燃料电池电堆及关键部件寿命仍然无法满足整车产品寿命要求,低压燃料电池单堆动态循环工况试验运行时间仅突破1500h,预测寿命亦仅2000h。

在燃料电池发动机成本控制关键技术研究方面,国外一方面研究低铂燃料电池技术,减少催化剂用量,另一方面研究催化剂抗毒性,降低其运行成本,同时还开发非铂催化剂来代替贵重金属Pt。在低铂燃料电池技术方面,目前国外已经研制低铂用量燃料电池电堆。通用公司通过采用核壳型合金催化剂、有序化MEA等技术,不但提高了燃料电池性能,而且Pt担量也得到了大幅度降低,一台燃料电池发动机中贵金属催化剂Pt的用量从上一代的80g降低到30g,并计划于2015年降低到10g。丰田公司开发的燃料电池电堆Pt用量也降低到原来的30%。催化剂抗毒性已经成为国际研究热点,国外科研机构试图通过提高催化剂抗毒性,使燃料电池可以直接利用粗氢发电,从而降低其运行成本。在非铂燃料电池技术方面,国际积极开发其它类型如碱性聚合物膜燃料电池,实现催化剂材料非Pt化,从而降低燃料电池发动机成本。2010年4月,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室宣布,该研究机构已经开发出由碳、铁、钴组成的催化剂,其成本非常低,而其性能可以和铂基燃料电池电堆最高水平相比,且在遏制过氧化氢产生等方面明显优于铂基燃料电池电堆。一系列研究成果直接推动燃料电池汽车成本降低,据美国DOE估计,燃料电池系统成本已由2002年的275美元/kW降低至2009年的62美元/kW (按50万套产量测算)。近期丰田公司高层公开宣布,2015年将实现燃料电池汽车零售价5万美元/辆的目标。此外,随着新研制非铂催化剂大量使用,燃料电池汽车成本还将进一步降低。我国于"十一五"末期已经开始开展燃料电池汽车成本控制研究,受限于燃料电池发动机和氢气存储系统成本,燃料电池轿车成本仍然很高。

(三)高压储氢系统技术

从表1可以看出,目前国外主流燃料电池汽车车型均采用70MPa的氢气存储和供给系统,而国内燃料电池汽车的高压氢气存储系统压力仍然维持在35MPa水平,这一定程度上影响了我国燃料电池汽车整车续驶里程能力。与此同时,国内35MPa的氢气存储和供给系统中的传感器、阀门等零件还依赖进口,直接导致氢气存储与供给系统成本过高。

四、 燃料电池汽车与纯电动汽车技术对比分析

与纯电动汽车相比,燃料电池汽车具有续驶里程长、低温冷启动性能好和能量补充快等优点(见表2),但产品成本高和基础设施稀缺;燃料电池汽车性能基本满足用户需求,必将成为未来高端纯电驱动车辆主体车型。随着新型非铂催化剂的研制成功和应用,燃料电池汽车成本将进一步降低,燃料电池汽车市场化进程将大幅提速。

表2 纯电动、燃料电池及传统内燃机对比分析表

五、 存在问题和建议

(一)技术创新与研发投入

1.聚焦重大,重点突破关键技术

燃料电池汽车是一个"机-电-液-氢"相互耦合作用复杂系统,是一个依赖机械、化工、电力电子、材料等工业基础的复杂系统,是一个涉及车辆工程、机械工程、材料工程、管理工程、信息工程、交通工程等多学科交叉融合的系统,是一个涉及基础科学研究、前沿技术开发和新技术应用的科学技术问题综合体。

鉴于我国的机械、化工、电力电子和材料工业基础相对薄弱,应发挥集中力量办大事社会主义制度优势,从国家层面整合资源,聚焦重大,重点突破燃料电池汽车关键技术:

1) 适合燃料电池汽车动力系统技术平台的全新结构整车平台

燃料电池汽车动力系统技术平台由于结构复杂、分布式智能控制、系统电压高、氢气存储压力高、碰撞性能要求高等特点,对整车碰撞安全性、空气动力学、整车热管理、底盘主动控制、舒适性、驱动系统拓扑结构提出了新要求,采用传统车辆改制燃料电池汽车已经无法满足燃料电池汽车整车发展趋势,因此,未来国家科技计划中应进一步聚焦,开展全新结构燃料电池汽车尤其是中高级燃料电池汽车全新结构整车平台开发。

2) 燃料电池汽车动力系统平台柔性模块化技术及其关键零部件开发

借鉴国外同类型燃料电池汽车"E-FLEX"和"十一五"柔性适配技术等,开展全新结构整车下的动力系统平台模块化、一体化、智能化集成设计技术。

3) 燃料电池发动机寿命、可靠性和环境适应性研究

在燃料电池发动机寿命、可靠性和环境适应性性能方面,我国已经落后于国外主流燃料电池电堆开发商和系统集成制造商。我国燃料电池发动机处在研发关键时期,国家应集中国内优势资源,强强联合,开展燃料电池发动机寿命、可靠性、环境适应性专项攻关,并同步开展发动机系统成本控制方法研究。

4) 低铂、非铂燃料电池电堆研发

低铂、非铂燃料电池技术是降低燃料电池汽车整车成本的重要措施。因此在"十二五"期间科技计划中,应重点研究高稳定性、抗毒、低Pt催化剂与抗氧化、长寿命的催化剂载体;高耐久性、低成本、高质子传导性的复合膜和烃类高温质子交换膜;高性能、高导电性炭纸;解决模压金属双极板应力释放问题,提高双极板的平整度和耐温性能;完善表面耐腐蚀导电涂层技术,提高耐久性与稳定性;构建质子、水、电与气体的有效传递通道,研究有序结构的薄层膜电极组件。

研发能满足低湿条件运行非铂/低铂、低成本的PEMFC电堆,提高电堆环境适应性(如抗CO中毒、抗醇性能),开发以质子交换膜为电解质、中温、中压为特征的车用燃料电池系统及关键零部件技术。

5) 氢能基础设施关键技术及安全风险评估

研究固体聚合物电解槽(SPE)电解制氢技术,包括SPE关键材料、电堆结构优化、电解系统集成等技术;系统评价35MPa加氢站(移动/固定)模式、经济性、可靠性及安全性,全面优化氢气加注解决方案,开发车载70MPa高压储氢和快速加注系统关键技术及关键部件。探索适合车用的基于储氢材料的复合储氢原理和技术。

6) 燃料电池汽车商业化推广模式与市场培育

研究多元互动政策体系、长期激励机制对燃料电池汽车产业化进程作用模式和效果;探索适合燃料电池汽车的商业推广模式的和市场培育方法;研究燃料电池汽车市场导入评价标准体系;创建基于"技术链"的燃料电池汽车研发和示范推广产业技术创新联盟。

2.持续支持,加大研发投入

在国内主流大型整车企业疲于建立传统汽车自主创新能力,小型汽车生产商研发热情高涨但技术研发基础薄弱尴尬情况下,国家政府部门应站在加强自主创新能力,建设社会主义创新型国家战略高度,以支撑培养国家技术创新和知识创新体系建设,支撑汽车产业结构升级,实现汽车工业跨越式发展为目标,发挥政府政策引导作用,发挥社会主义集中力量办大事的优势,发挥市场配置资源的基础作用,持续支持加大新能源汽车研发。此外,燃料电池汽车由于其系统的复杂性、综合性、交叉型等特点,政府部门应进一步加大科技计划投入,支撑燃料电池汽车关键技术和共性技术突破。

表3 全球主要组织、国家和企业投入燃料电池汽车和氢能研发资金统计表

表3给出了世界主要国家对燃料电池汽车和氢能的投入情况,分析得到:我国在燃料电池汽车整体研发基础薄弱现状下,研发投入仍然明显低于世界主要国家的燃料电池汽车研发投入。在国外汽车生产商纷纷将2014~2016年作为燃料电池汽车市场导入起点情况下,我国政府更应加大研发投入力度,抓住留给我国约4~6年时间迎头赶上,提升我国燃料电池汽车技术水平, 实现新能源汽车跨越式发展。

(二)政策引导与发展环境

3.加大示范财政补贴额度,实施财政积极引导政策

2009年初,财政部、科技部、国家发展改革委、工业和信息化部(以下简称四部委)联合召开启动会,共同启动"十城千辆"节能与新能源汽车示范推广试点工程,决定在公交、出租、环卫、公务、邮政等公共服务领域开展节能与新能源汽车购买试点工作。与此同时,国家颁布了《节能与新能源汽车示范推广财政补助资金管理暂行办法》,燃料电池轿车、纯电动汽车和纯电动特种车均纳入公共服务用乘用车和轻型商用车类,由于其具有100%节油率水平,分别获得了国家财政补贴25万元/辆、6万元/辆和3000元/kWh标准,如表4。从补贴额度上看,燃料电池汽车获得了更多的国家财政补贴额度,但是从财政补贴与整车成本差值平均值看,由于燃料电池汽车整车成本高,在获得相应国家补贴之后,仍然存在很大的差额,这必将阻碍燃料电池汽车示范推广。因此,政府应调整新能源汽车财政补贴标准,引导燃料电池汽车发展。

4.标准先行,开展燃料电池汽车标准体系建设

经过联系两个五年电动汽车科技计划攻关,我国累计颁布了56条国家或行业电动汽车技术标准,初步建立了电动汽车技术标准体系,基本能够满足当前电动汽车科学研究、产品试验、产业化生产指导、产品市场准入和商业化示范推广应用需要,被公认为处于世界前列。但分析已颁布技术标准发现,我国燃料电池汽车相关技术标准只有8项,而同期ISO有19项,美国SAE有16项,中国燃料电池汽车技术标准严重缺乏,如表5。与此同时,在现有8项燃料电池汽车技术标准中,其中5项主要围绕氢能基础设施,而燃料电池汽车整车和零部件分别只有1项,燃料电池汽车整车及关键零部件技术标准严重缺乏,因此在"十二五"期间,国家应该加大投入,进行燃料电池汽车(含整车和关键零部件的设计、生产和试验等)技术标准研究,建立燃料电池汽车技术标准体系。

5.积极筹备、规划未来燃料电池汽车氢气供给网络

目前全世界已经有200余个加氢站,与此同时,欧洲计划在2015年前投资5亿元建设40个加氢站,韩国拟建50个加氢站,意大利拟建25个加氢站,日本于2012年前再增加10个加氢站,并于2015年前在东京、名古屋、大阪和福冈四大城市市区和高速公路建设100座加氢站,德国巴符能源公司(德国第三大电力公司)、奥地利OMV石油公司、壳牌公司、法国道达尔公司(全球第四大石油化工公司)和瑞典Vattenfall(欧洲第五大能源公司)等全球大型能源公司签订备忘录,决定在德国建设燃料电池汽车基础设施以促进燃料电池汽车在德国的推广。我国在2008北京奥运会和2010年上海世博会大型国际活动背景下共建设了3座加氢站,研制了2辆移动加氢车。随着燃料电池汽车由技术验证和试验考核阶段向市场培育过渡,"能源供应商-基础设施制造商-基础设施运营商-城市规划、环境测评等政府部门"应以价值链为纽带联合起来,结合我国能源分布、产业聚集和现有工作基础,统筹规划,以点带线,以线构面,建立"点-线-面"结合的氢气"制取-运输-存储-加注"网络。在项目初期,应参考日本等经验,设立"氢气社区"项目,探索氢气制取-运输-使用一体化智能社区。

(三)人才培养与国际合作

6.积极培养国际化人才,实现可持续发展

科技创新,人才为本。燃料电池汽车和氢能具有涉及多行业、多学科交叉特点,应结合国家人才战略,积极主动参与全球教育与科技合作,实现立体式、多层次人才培养,人才支撑燃料电池汽车技术创新。

7.面向国际,积极参与国际技术竞争与合作

为共同推进燃料电池和氢能技术进步,德国、日本、英国、加拿大、欧盟、美国、韩国、中国等国家和组织联合成立了国际氢能合作组织,开展学术交流和研发信息共享。与此同时,世界主要国家为促进本国氢能和燃料电池技术创新,设立了形式各样的合作交流平台,如美国FCHEA、日本NEDO、德国NOW、加拿大和英国的HFCA等。相关机构依托该平台开展政府攻关、企业技术服务和学术科研交流等活动。中国作为世界燃料电池和氢能重要力量,应积极主动参与国际合作分工,与上述机构开展合作,并积极参与欧盟第七框架计划、联合国环境署、政府间合作协定项目申报和具体实施。在坚持自主创新基础上,实施开发,引入竞争,跟踪并引领燃料电池汽车和氢能技术进步。

参考资料

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