欢迎浏览中国储能网
您的位置: 首页  > 氢储能二级 > 特别推荐  返回

燃料电池汽车的现状与发展趋势

作者:李建秋 来源:清华大学藤影荷声 发布时间:2019-12-13 浏览:
分享到:

中国储能网讯:当前,国内外主要的整车企业都在进行燃料电池汽车开发。清华大学研究团队也长期从事燃料电池汽车关键技术研究。今天,我们邀请了清华大学车辆与运载学院李建秋教授谈谈燃料电池汽车的现状与发展趋势。

当前,从国内外发展情况看,国际上主要的整车企业都在进行燃料电池轿车开发。表1是目前已经发布燃料电池轿车的主要参数,其中最具代表性的是丰田Mirai,总产量已超过10000台,它将会在2020年东京奥运会上进行示范。此外,在2018年平仓奥运会上,现代的NEXO也进行了小规模示范,取得了很好效果。除了图1所提到的企业,宝马也宣称明年将推出燃料电池跑车。针对乘用车空间紧凑的特点,目前已发布的燃料电池轿车的动力系统集成度不断提高。例如本田、奔驰所开发的燃料电池系统,已经可以在空间上直接替代传统内燃机。

图1 全球典型燃料电池轿车性能比较

需要注意的是,当前轿车领域在全球范围内仍然是纯电动车占主流,绝大多数企业销售的纯电动车远超燃料电池汽车,诞生了像特斯拉这样的明星企业。即使是燃料电池最坚定的支持者丰田,近期也与比亚迪在电池领域达成合作,因此轿车也就是乘用车的发展趋势仍以纯电动为主。虽然目前纯电动发展速度较快,但从成本来看,将来燃料电池在轿车上仍然会有应用,这主要有以下两个原因。

第一是储能成本。目前动力电池的储能成本大约是1000元/度电,转换成用氢来储,一度电大概只需要不到100块钱。因此对于能耗大的车辆,需要车载储能多的车辆,燃料电池汽车就有优势。换句话说,在长续驶里程、重载、能耗高的车辆,燃料电池汽车的相对优势就突显出来了。

第二是环境因素。在中国北方地区,比如张家口这样冬季时间比较长的区域,纯电动在冬天会面临采暖和驱动双重用电压力,这导致续时里程显著变短,目前没有很好的办法可以解决这个问题。但对于燃料电池汽车,由于其废热可用于采暖保温,在极寒环境下无需额外耗能,不存在冬季“里程焦虑”问题。加上燃料电池汽车储能本身就有优势,从这个角度来看,北方地区燃料电池轿车仍然会有比较大规模的应用。

图2 燃料电池轿车成本预测

可以预测,未来随着燃料电池商用车的规模不断扩大,当成本逐步降低、基础建设不断完善,燃料电池可能在五座以上SUV、MPV等大型乘用车上杀一个“回马枪”,实现规模化应用。

在商用车领域,全球燃料电池商用车方兴未艾。车型越做越大,续时里程越做越长,发动机功率也越做越大,在续航里程、环境适应性、重量、成本等方面也越来越接近传统柴油车配置。美国Nikola公司正在研发的Nikola One、Nikola Two燃料电池重卡,同时使用了燃料电池+分布式轮边驱动技术,综合成本将比传统柴油动力与新型纯电动力更低,计划在2020年完成研发投入市场。清华大学团队目前也正在开发类似产品,目前正在装车,预计会在今年年底正式发布,这款重卡的多项技术均达到了国际领先。

图3 Nikola公司下一代燃料电池重卡

在军用领域,通用汽车与燃料电池企业巴拉德正在开发一款无人车辆通用平台:SURUS,该平台具有很好的静默性能。既可以做货运、救护,还可以用来发电,具有很好的适应性。雪佛兰公司2016年为美军开发了氢燃料电池皮卡“科罗拉多”,现已完成超过五百万公里测试。由于燃料电池产物是纯净水,在沙漠环境下可以直接供士兵生活使用,受到了军队的青睐。

图4 美国通用汽车研发的燃料电池皮卡与无人作战平台

近年来,燃料电池客车示范运营大幅推动了燃料电池技术的发展与应用。下图比较了国外典型的城市客车燃料电池系统,对标国际一流水平,目前中国已掌握了100千瓦级大功率发动机制造技术与动力系统设计技术,建有国际上最大的燃料电池客车车队,氢耗、成本等关键指标在国际上处于领先水平。

图5 商用车燃料电池系统

图6 全球典型燃料电池客车

调研发现,随着燃料电池技术不断成熟,燃料电池在国防领域的应用快速升温,全球各国军方普遍认为,国防领域是燃料电池极佳的应用场景。上文所提到的两款军用车只是美军燃料电池应用中的几个例子,此外,美军还将燃料电池用于水下潜行器与大型无人机动力系统开发。德国和法国已将燃料电池用于潜艇动力开发,挪威将燃料电池用于舰船动力开发,也有研究团队将空冷燃料电池用于小型无人机动力开发。

图7 燃料电池在军用领域的应用

近期,国内已开始开发基于纯电平台的船舶。未来,如果将储能电池替换为燃料电池,储能密度与成本将会显著改善,燃料电池在船舶动力上具备显著优势。可以预见,未来燃料电池在大载荷、长距离运载工具上将会普遍应用,现在才刚刚开始。

从潜在技术挑战来分析,随着铂的用量慢慢下降,未来制造1kW燃料电池将小于0.1克,铂的成本也会慢慢降下来。目前,大家普遍认为燃料电池本身的问题会逐步突破,不再是将来的主要技术瓶颈,但氢能基础设施会对它的推广应用形成比较大的挑战。为解决这个问题,日本曾做了很详细的规划,希望加快氢能基础设施的建设。日本规划发布的时间大概是2012年左右,目前看氢能基础设施的建设整体进度低于预期,在具体执行中有很多实际困难,这需要引起我们的重视。我国当前也有类似问题,尽管最近这几年氢能基础设施建设不断升温,但总得来说进度仍然偏慢。为了加快建设进度,美国目前建有油气混合站,这些经验可以学习。

清华大学研究团队长期从事燃料电池汽车关键技术研究,目前专门承担了国家科技部的燃料电池客车课题。课题主要研究燃料电池公路客车,满足在冬奥会活动中张家口到北京的高速长距离通勤需求,主要研究发动机、动力系统、大容量储氢、测试与整车研发示范,最终将开发完成时速80~90公里、续时里程达到500公里的公路客车。

图8 续驶里程500km的燃料电池公路客车与大功率燃料电池系统

(国家重点科技专项项目资助的研发成果)

项目近期完成了100千瓦燃料电池发动机的研发与测试工作,现在完成了联调并准备装车,预计年底将在福田客车上测试。这台燃料电池发动机的电堆功率达到137千瓦,净功率超过105千瓦。除了空压机,所有零部件都是国内配套研发,目前国产空压机也正在技术攻坚,预计明年整套系统都可以实现国产化配套。

现阶段,膜电极仍是燃料电池最具挑战性的部件。通过之前几年的技术积累,研究团队预计再通过一年左右时间即可实现国产化。届时,国产商用车大功率发动机的整个技术链和产业链就完整了。

图9 高压气氢储供系统与液氢储供系统技术对比

为满足冬奥运营需求,动力系统方面进行了大量创新,包括燃料电池直驱构型,无动力中断换挡双电机驱动系统等。此外,系统匹配的动力电池也均完成了低温性能验证。在储氢方面,70MPa三型瓶已完成样品研制,正在进行认证。如果在今年年底或明年年初完成验证,即可在张家口使用70兆帕进行示范,这是2020年冬天大规模示范应用的重要前提,也是为2022年冬奥会做技术铺垫。

清华大学团队还开发了500升液氢储氢系统,目前刚完成液氢与燃料电池发动机的联调测试。一个500升的液氢罐可以存储32公斤的液氢,换算成70MPa储氢概要用五到六个瓶子,在体积与重量方面液氢有非常大的优势。

图10 燃料电池物流车

在燃料电池汽车的核心部件——燃料电池发动机方面,清华大学和亿华通密切合作,研发了多款燃料电池发动机产品,其重要性能指标已达到国际先进水平。如图11所示,其特点是Smart and small(智能化和小型化),额定功率60kW的燃料电池发动机重量只有120kg,在体积和重量功率密度方面已超过了传统柴油发动机水平。该发动机完全基于我国自主研发的零部件配套体系,是面向城市公交和物流的主流产品。下一代产品是将现有体积和重量功率密度再提高一倍,燃料电池系统的功率密度将达到1kW/kg、2kW/L的水平。

图11 亿华通发布的新一代燃料电池发动机

清华大学目前和丰田合作,成立了氢能燃料电池联合研究中心,重点针对燃料电池的成本和耐久性两个关键问题开展研究。在实车应用方面,清华大学团队针对张家口环境,完成了客车整车综合热管理技术开发,进一步提高了整车效率,氢耗仅相当于国外示范车型的70%。同时,团队今年完成了第三代物流车开发,整个燃料电池动力系统已完全不再占用货舱空间,发动机、储氢、电池、电驱动全部在底盘上,重量跟传统柴油机的动力系统相当,续时里程在400~800公里水平。

在重卡方面,清华大学牵头联合多家企业和研究所,承担北京市重点科技项目,研发35吨级和49吨级的燃料电池重卡。针对35吨级重卡,团队目前正在进行总装。团队为此已攻克了100千瓦的大燃料电池发动机、60~100kg级别的大容量液氢储供系统、国际先进的双轮并装轮毂电机驱动的电动桥。从国际范围来看,目前全球只有清华大学团队所研发的重卡动力系统同时使用这三项前沿技术,达到持续高速、高效率、低能耗和长续驶里程。一次加氢续驶里程达到800~1000km,整车重量和传统柴油车相当,在动力系统关键技术方面已开始处于全球前列。目前项目研发进展顺利,关键零部件已完成研发测试,正在开展整车集成,今年年底将开展测试和评价。

图12 燃料电池重卡研发进展

燃料电池重卡所使用的双轮并装的轮毂电机的电动桥,把电机直接放在轮毂中间,去掉传统驱动桥的主减速器、差速器等零部件,取消桥中间的“大鼓包”,直接象一根扁担把轮毂电机电动轮串装在两边,使得整个电动桥加起来比传统的驱动桥重量还要轻,峰值转矩超过18000Nm,传动效率比传统机械驱动桥高8~10%左右,在性能指标上达到了国际先进水平,属于动力系统的革命性技术。针对重型卡车,在续时里程500公里情况下,燃料电池重卡动力系统的重量和成本将明显优于纯电动重卡,这也与国外的分析结果一致。未来,团队将重点提高燃料电池系统功率密度,延长系统耐久性。

图13 新能源汽车与可再生能源系统

目前,光伏发电已可平价上网,随着光伏技术在戈壁、沙漠等场景大量应用,光伏发电加上电解水制氢具有巨大的发展潜力。氢能作为一种储能技术,具有锂电所无法比拟的大容量、低成本、长存储周期等优点。未来光伏发电等可再生能源发电,再把电能给电动车充电或电解水制氢来储能,使得可再生能源发电和制氢成为车用能源的生产基地。国家的交通能源体系也将由现在的柴油、汽油、煤油,通过天然气过度发展到氢和电,逐步降低二氧化碳排放,实现能源可持续发展,以降低能源依赖进口的风险,走出一条有中国特色的应对气候变化的新能源和新能源汽车发展之路。

关键字:燃料电池汽车

中国储能网版权声明:凡注明来源为“中国储能网:xxx(署名)”,除与中国储能网签署内容授权协议的网站外,其他任何网站或者单位如需转载需注明来源(中国储能网)。凡本网注明“来源:xxx(非中国储能网)”的作品,均转载与其他媒体,目的在于传播更多信息,但并不意味着中国储能网赞同其观点或证实其描述,文章以及引用的图片(或配图)内容仅供参考,如有涉及版权问题,可联系我们直接删除处理。其他媒体如需转载,请与稿件来源方联系,如产生任何版权问题与本网无关,想了解更多内容,请登录网站:http://www.escn.com.cn

相关报道