新能源汽车-燃料电池汽车的发展

新能源汽车——燃料电池汽车的发展学院：机械与运载工程学院专业：车辆工程燃料电池汽车发展一、燃料电池汽车的发展历史（19世纪～20世纪）90年代，加拿大，美国，日本都在进行燃料电池汽车的研制，其中加拿大BPS公司的技术最为先进。BPS开发了三代EMFC公共汽车产品：90年代BPS开发的三代EMFC公共汽车产品性能参数1993年第一代1995年第二代1996年第三代平均单体电压/V0.570.580.68单体输出功率kW51332.3功率密度（W/L、W/kg）150、150300、3001000、700电池功率kW93200—续航历程km160400—最高时速kM/h8295—德国奔驰与BPS合作开发，开发系列如下：戴姆勒·NECAR系列燃料电池车基本数据性能参数1994年NECAR11996年NECAR21997年NECAR31997年末NEBUS1999年NECAR42000NECAR5输出功率（kW）5050502507075燃料电池组12221021电压（V）230280300720330—比重量（kg/kW）216—5.65—采用燃料纯氢纯氢甲醇纯氢纯氢甲醇续航历程（km）100250400250450—最高车速9011012080145150二、燃料电池汽车的发展现状1、国外发展状态a)美国加州燃料电动汽车的示范运行通用、福特、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业均参加。2007年ProjectDriveway计划100量雪弗兰Equinox燃料电池汽车开始示范运营，到2009年总行驶历程达到了160万km。2009年，通用开发全新一代燃料电池系统体积缩小一半，质量减轻100KG,铂金用量为原来的1/3，30g。预计到2017年，降低到10—15g。b)德国2007年戴姆勒奔驰公司、美国福特汽车公司和加拿大Ballard公司合作，成立AFCC公司来研发和推广车用燃料电池。戴姆勒集团参与“HyFLEET:CUTE(2003-2009)”项目，36量梅赛德斯-奔驰Citaro燃料电池客车运营使用，运营时间超过14万h、行驶里程超过220万km。第一代纯燃料电池客车，寿命为2000h，2009年第二代轮边电极驱动燃料电池客车的电池耐久性达到1.2万h。2011年，戴姆勒奔驰开展燃料电池汽车全球巡回展示，验证了性能和产业化的能力。2012年6月，主要汽车厂、能源公司和政府一起承诺到2015年全国建立50个加氢站。2013年，宝马公司与丰田汽车公司合作，丰田公司向宝马提供燃料电池技术。c)日本丰田公司2008版FCHV-Adv实现了-37°C顺利启动，一次加氢行驶历程达到830km，氢耗量0.7kg/(100km),相当于汽油3L/(100km)2013年11月，丰田在“第43届东京车展2013”上，展出了计划在2015年投放市场的燃料电池概念养车，功率密度达到全球最高3KW/L。拟在2015年投放新一代燃料电池轿车，进行批量生产；2016年生产新一代燃料电池客车。2011年日产的燃料电池堆，功率90KW，质量仅为43kg，2012年日产汽车研发电堆功率密度达到了2.5KW/L，当时是国际贵高水平。本田公司新开发的FCXClarity燃料电池汽车，能够在-30°C顺利启动，续驶历程达到620km。2014年，也宣布新一代燃料电池堆功率密度达到3KW/L。d)韩国2002年开始研发燃料电池汽车；2005年采用巴拉德的电堆组装了32辆SUV；2006年自主研发第一代电堆，组装了30台SUV,4辆大客车，进行示范运行；2009-2012年，开发第2代电堆，组装了100台SUV，在全国进行示范和测试，并改进。2012年，推出第3代燃料电池SUV和客车，开始全球示范；2013年，韩国现代宣布提前2年开展千辆级别的燃料电池SUV(现代ix35)生产，在全球率先进入燃料电池千辆级别的小规模生产阶段。该SUV采用100KW燃料电池，24KW锂离子电池，100KW电机，70Mpa的氢瓶储存5.6KG氢气，在NEDC循环工况下，续驶历程588km，最高车速160km/h。2、国内发展状态1)在“十五规划”的基础上，“十一五规划”新一代燃料电池轿车的发展状态：a)采用扁平化的动力系统布置方式，燃料电池发动机氢气子系统、空气子系统和冷却系统采用模块化分散布置发的方式，增强了动力系统与整车适配的柔性。b)优化集成DC/DC变换器、DC/AC控制器以及电控空调和低压变换器等功率元器件的动力系统控制单元。c)燃料电池发动机功率从40KW提高到55KW；动力蓄电池容量从48kWh缩小到26kWh；电机功率从600KW提高到90KW；电极控制器（DC/AC）功率提高到35%，燃油经济性则仍保持在1.2kg/(100km)的原有水平。2)进入“十二五规划”后，上汽集团制定了燃料电池汽车发展的五年规划，以新源动力为燃料电池电堆供应商，开始投入大量资金进行研发。目前是第三代燃料电池轿车FCV的开发。3)同济大学已经开展多轮燃料电池轿车的研发工作，研制的燃料电池轿车已在奥运会、世博会进行规模的示范运行。在“十二五规划”期间，同济大学将为中国第一汽车集团公司、东风汽车公司、奇瑞汽车股份有限公司和中国长安汽车集团股份有限公司集成燃料电池轿车。4)35MP加氢站技术已趋于成熟，目前正在开展“基于风光互补的站制氢的70MPa加氢站的研发”，将研发利用风光电解水制氢及87.5MPa储氢罐、90MPa氢压缩机及70MPa加制机技术。3、国内外差距(1)储氢系统国外开始采用70MPa车载储氢系统，一次加注的续驶里程比国内要高；(2)燃料电池发动机国外燃料电池发动机的功率输出能力基本在80-100kW，比国内的55kW高出很多，而且具有很高的质量比功率和体积比功率指标。(3)电机国外同等功率输出能力的电机具有更高转矩输出能力，约比国内高50-80Nm，比例达到25%-40%(4)冷启动在冷启动方面，燃料电池发动机研制单位初步实现了燃料电池系统低温(－10°C)储存与启动，与外国－30°C的指标存在很大的差距。(5)燃料电池附件系统燃料电池附件系统：催化剂、质子交换膜、碳纸/布、膜电极、双极板、密封剂、电堆整体。国外这些产品已经规模化生产，而国内基本没有成熟产品。(6)示范运营虽然中国已经完成多次燃料电池汽车的大规模示范运行，但与国外燃料电池汽车示范运行相比，在行驶历程和行车数量方面都有很大的差距。中国燃料电池示范运行仍未进入是示范后的整理总结并进一步提高之后再次示范的良性循环。(7)加氢站规划中国共有5个固定站和6座移动加氢气站。目前尚无新建加氢站计划。(8)成本国内目前使用的质子交换膜和铂金催化剂等关键原材料基本上以来进口，导致其生产成本难以下降。三、燃料电池的发展趋势各发达国家的燃料电池汽车技术趋于成熟，提高功率密度、低温冷启动等问题已经基本解决，未来将在下面几个方面进行研究和突破(1)延长电池寿命燃料电池轿车寿命目前不超过5000h,制约其商业化。(2)降低燃料电池系统成本整个燃料电池系统的成本中，电堆占总成本的一半，而电堆总成本中，膜电极的成本占一半，膜电极的主要成本是催化剂。电堆中最主要的成本源于与膜电极相关的原材料的成本。降低成本方向：持续电池原材料研究和开发；简化和集成燃料电池系统的研究；降低高压储气瓶和电磁阀成本(3)大规模建设加氢基础设施，推广商业示范随着示范运行的不断深入，为了将来大规模商业化的推广燃料电池汽车，必须推动基础设施的建设，扩充加氢站。(4)燃料电池汽车产业联盟化为加快发展燃料电池汽车，目前跨国汽车企业纷纷组成跨国战略联盟，以期达到优势互补、快速推进、抢占标准的目的，如：1)戴姆勒、福特和日产宣布将共同开发一个燃料电动汽车生产平台，该平台在2017年初开始生产，生产规模将达到5万量。2)6加加拿大公司和20位燃料电池领域的科学家和工程师携手努力以减少质子交换膜燃料电池电动汽车中金属铂(Pt)的使用，该项目成为“CAD”计划。3)2013年1月，戴克、福特和尼桑三家公司建立合作联盟，联手开发燃料电池系统，减少重复投入，降低开发成本，共同开发的燃料电池系统将尽可能拥有共通性，以适应三方的车型，计划2017年推出在价格上能被大众接受的燃料电池汽车。4)2013年1月，丰田汽车与宝马公司正式签订协议，深入合作共享燃料电池技术，丰田将向宝马提供燃料电池车驱动总成和氢燃料贮存技术，并计划2015年把自行研发的燃料电池车投入市场，而宝马将利用该技术在2015年推出样车，2020年上市。5)2013年7月，GM和Honda结成联盟，在储氢技术和燃料电池技术方面进行合作。参考文献[1]李建秋.燃料电池汽车研究现状与发展.汽车安全与节能学报,2014年[2]付甜甜.韩国现代ix35燃料电池车.电源技术,2014年[3]孙志英.燃料电池汽车的现状与发展前景.信息记录材料,2013年[4]杨宇.燃料电池汽车产业的新能源发展战略研究.资产与产业,2010年