燃料电池系统车用技术及发展趋势

燃料电池系统车用技术及发展趋势全球的挑战燃料电池汽车及燃料电池系统简介燃料电池系统关键零部件燃料电池系统关键技术燃料电池汽车的发展趋势今天模式的道路交通运输（Mobility)是不可持续的！！！道路交通安全城市污染CO2排放人口集中对化石能源的依赖交通运输的成本挑战全球的挑战石油需要量不断增加，依存度不断提高，能源安全我国石油依存度变化情况09年首次超越国际警戒线50%我国私家车保有量情况我国汽车保有量在不断增长来源：《国内外油气行业发展报告》，中石油公安部交管局全球的挑战-能源危机全球的挑战-环境污染16013095实际2006目标2015目标202020014011389实际2006目标2016目标2020目标2020149125105实际2006目标2015目标202018815911795实际2006目标2015目标2020目标2020低碳化-41%-44%-30%-38%CO2g/km年代国家驱动电气化和能源多元化是未来汽车发展方向!面对环境污染以及能量来源多样性，现代汽车发展的电动化成为必然趋势。燃料效率/CO2排放有害排放（CO2/HC+NOx）全球的挑战-汽车动力系统的未来来源：2035世界能源展望，BP88.853.027.564.748.3Percentageofbrakingenergytototaltractionenergy(%)461213120392182Perkm87888895341951934TotalBrakingEnergy(KJ)519402437606377Perkm9981675347864804000TotalTractionEnergy(KJ)NewyorkcityJapan1015ECE-15Austr.UrbanEPA75Urban88.853.027.564.748.3Percentageofbrakingenergytototaltractionenergy(%)461213120392182Perkm87888895341951934TotalBrakingEnergy(KJ)519402437606377Perkm9981675347864804000TotalTractionEnergy(KJ)NewyorkcityJapan1015ECE-15Austr.UrbanEPA75Urban制动能量的回收蓄电池的引入，驱动电动化典型城市行驶工况牵引与制动能量消耗驱动制动制动/驱动能量回收1.驱动的电动化全球的挑战-汽车动力系统的未来传统的制氢方法目前世界氢气总产量的96%来源于石油、煤、天然气等化石燃料，4%来自电解水。未来的制氢方法天然气重整制氢，甲醇重整制氢，煤气化制氢，水电解制氢，太阳能制氢，生物质能制氢2.能源的多元化氢气：车载氢气瓶：氢气供应需建立，压缩氢气容量相当，加注时间短整体的汽车工业/燃料的供给体系：理想的统一的能源载体：电，氢气，？？？汽油，柴油煤气天然气酒精生物燃料……太阳光风力水力，潮汐电：车载电池：电网架构已存，电池容量有限，充电时间较长全球的挑战-汽车动力系统的未来燃料电池汽车与传统车辆和电动车的比较短期内，传统内燃机车辆依然是主导地位。但是随着环保法规和能源利用效率的要求的提高，以及燃料电池汽车和电动车的进步，传统内燃机车辆会逐渐被替代。燃料电池汽车和电动车各具有优势，就像汽油机和柴油机车辆。但是长距离行驶，燃料电池汽车优势明显。全球的挑战-汽车动力系统的未来全球的挑战燃料电池汽车及燃料电池系统简介燃料电池系统关键零部件燃料电池系统关键技术燃料电池汽车的发展趋势燃料电池汽车简介燃料电池汽车基本原理丰田Mirai丰田从1992年开始燃料电池研究。丰田燃料电池车Mirai（未来）于2014年12月15日在日本上市，价格723.6万日元，但可以享受约225万日元的补贴，这样用户实际只需支付498.6万日元（约合人民币25.8万元）。新车在日本上市仅1个月就订出了1500辆（其中60%为行政机关订单，40%为私人订单），在美国市场开放接单10天后，Mirai就收到了600张订单，市场反应火爆。在JC08工况下，Mirai的氢储量可以支持700公里续航里程。电堆功率（kW）114百公里加速（s）10.9体积比功率（kW/L)3.1整车尺寸（mm）4890*1815*1535扭矩（Nm）330轴距2780电机功率（kW）113耗氢量（kg/100km）0.8续驶里程（km）700(JC08)储氢罐规格（MPa）70最高车速（km/h）155冷启动温度（°C）-30燃料电池汽车简介本田FCVClarityHondaClarity所搭载的氢燃料电池在前作HondaFCXClarity的基础上体积更为紧凑，续航能力更强。电能由氢氧化学反应的燃料电池组提供，交流电机给驱动轮带来130kW的最大功率，新车最高续航里程将突破482公里。本田从80年代后期开始积极推进FCV的研发工作，有超过20年的研究积累。2015年3月中旬，HondaClarity燃料电池汽车在日本正式上市销售，新车售价为7,660,000日元起，约合人民币43.8万元。2016年销量预计将不超过200辆，只有居住地点足够接近15个氢站的日本消费者才能购买。燃料电池汽车简介现代ix35•2016年2月2日，现代汽车宣布将在韩国大幅削减ix35燃料电池车售价四成以上，并考虑在海外市场同样为燃料电池车降价，以便同丰田等竞争对手的燃料电池车争夺市场份额。•现代汽车从1998年开始涉足燃料电池汽车，2013年公司建成第一条生产线。•2014年4月，现代宣布在韩国本土开售氢燃料电池车，售价高达1.5亿韩元，折合人民币85.5万元。•现代ix35在韩国蔚山工厂正式下线，成为世界上第一辆量产版氢燃料电池车，据现代官方介绍，ix35搭载了经现代科研团队14年时间、耗资数百亿元自主研发的燃料电池。燃料电池汽车简介超越一号2003年2004年2005年2007年2008年2009年S3000超越三号MPV东方之子途安领驭(大众)上海牌(上汽)基于第三代动力系统平台的燃料电池汽车最高车速：123km/h加速时间(0-100km/h)：19s续驶里程：230km基于最新动力系统平台的燃料电池汽车最高车速：150km/h加速时间(0-100km/h)：15s续驶里程：380km奔腾(一汽)志翔(长安)东方之子(奇瑞)2006年2010年燃料电池汽车技术超越二号2002年“超越一号”台架车研制成功燃料电池汽车简介H2OfromTankMotorCompressorExhausttoATMFuelCellStackATMairAnodeCathodeRadiatorHydrogenSupplyH/CHydrogenTankExpanderAirSupplySystemWaterandThermalManagementSystemRecirculationCondenserH/CH2OTanke-ResidualH2O车用燃料电池系统简介车用燃料电池系统简介全球的挑战燃料电池汽车及燃料电池系统简介燃料电池系统关键零部件燃料电池系统关键技术燃料电池汽车的发展趋势车用燃料电池系统关键零部件-电堆本田电堆演变丰田电堆演变开发出高性能、高可靠性、高耐久性的电堆是提升燃料电池汽车性能的关键燃料电池电堆是“心脏”，是动力输出的源头，通过阳极氢气和阴极空气的电化学反应产生电能。65kW电堆参数单位2013年状态2020年指标电堆体积功率密度W/L25003000电堆质量功率密度W/kg2000200025%额定功率电堆效率a%6565Q/ΔTibkW/°C1.91.45成本c$/kWe2420循环耐久性dhours25005000低温工况鲁棒性e0.7高温工况鲁棒性f0.7低温瞬态工况鲁棒性g0.7aDC输出能量与氢气LHV的比值bQ/ΔTi=[电堆功率（90kW)×（1.25-额定功率下电压）/（额定功率下电压）]/[电堆冷却出口温度（°）-环境温度（40°）]。技术指标假设90kW的总功率（stackgrosspower）需要80kW的净功率cPt成本$1550/盎司（troyounce），电堆年产量500000台d参见U.S.DRIVEFCTT协议附录A表A-5。额定功率测试后，小于10%的电压退化（voltagedegradation）e30°时电堆电压与80°电堆电压比值，电堆工作在1.0A/cm2f90°时电堆电压与80°电堆电压比值，电堆工作在1.0A/cm2g30°时电堆瞬态过度到80°时的瞬态电压与80°时电堆稳态电压比值，电堆工作在1.0A/cm2aDC输出能量与氢气LHV的比值燃料电池系统关键零部件-电堆燃料电池系统关键零部件-氢气循环系统调整H2压力加湿H2为电堆提供适量H2燃料电池系统关键零部件-氢气循环系统阳极闭端引射器氢气循环泵引射器与氢气循环泵并联引射器与共轨喷氢阀串联尺寸&质量++++--+噪音&振动++++-----消耗功率++++---+成本++++---+可靠性++++--+循环效果---+++++++优-中+良--差阳极闭端：经济性差，对电堆内部气体分布无改善，无加湿效果引射器：工作范围窄，在小流量工况下效果差氢气循环泵：成本高，消耗额外电功，可靠性差引射器与氢气循环泵并联：成本高，消耗额外电功，可靠性差管壳式加湿器原理膜加湿器电堆被加湿反应气体电堆排出废气废气出口反应气体进口管壳式加湿器外观燃料电池系统关键零部件-加湿器加湿器为电堆中质子交换膜提供适度的含水量，保持电堆内部的水动态平衡，提高电堆性能和耐久性。燃料电池系统关键零部件-加湿器燃料电池系统关键零部件-空压机 空压机/膨胀机 空压机 蜗轮增压 电动增压 气波增压 两叶罗茨 三叶罗茨 螺杆 涡旋 回转活塞 叶片 活塞 离心 体积 0 -1 -1 -1 -1/-2 0/-1 -1 -1 -1 -2 +1 重量 0 0/-1 -1 -1 -1/-2 -2 -1 -2 -1 -2 0 转动惯量 高 高 中等 低 低 振动 0 0 0 0 0 0 -1 0 -1 -1 0 内增压比 NO NO YSE (YES) (YES) (YES) (YES)1 温升 0 0 -1 -1 -2 +1 0/+1 0/+1 0 0 0 背压 YES YES YSE NO NO NO NO NO NO NO NO 功率 NO +1 +2 -2 -2 -1 0 0/-1 -1 0/-1 0 噪声压力波动 0 0/-1 0/-1 -2 -1 -1 -1 -2 -1 -1 0 压比 3~3.5 3~3.5 2.5~3 2 2 3 2.2 2 2 2 3~4 理论上，电动离心压缩机在体积、重量、功率、噪声、压比范围在具有优势。、+2:较适合，+1：适合，0：适合且有限制，-1：不建议，-2：不适合参数转速流量压比功率单位r/ming/s-kW测试工况点98000732.2210.725设计工况点10000702.210燃料电池系统关键零部件-空压机上汽丰田FCHV_adv本田FCX通用Equinox现代ix35奔驰B级F-Cell日产TeRRASUV雪佛兰FCEVDoE指标额定功率kW30901009310068额定/最大效率45/5060/6460/6050/6056/6060体积功率密度（电堆）W/L100015001923约300064025002000质量功率密度（电堆）W/kg6001493约20002000空压机离心式罗茨离心式离心式鼓风机离心式--应用层面，离心式压缩机也是大多厂家的首选。目前，对于燃料电池汽车空气系统，最高压比2.0-2.5，功率10kW，流量80-100g/s的无油润滑离心空压机是研究和开发重点。车用燃料电池系统关键零部件-空压机来源：美国DOE燃料电池系统关键零部件-空压机全球的挑战燃料电池汽车及燃料电池系统简介燃料电池系统关键零部件燃料电池系统关键技术燃料电