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國(guó)內(nèi)外燃料電池汽車技術(shù)水平現(xiàn)狀與 差距對(duì)比
總體來(lái)看,國(guó)外整車企業(yè)已在2015 年進(jìn)入量產(chǎn)階段;而在中國(guó),燃料電池汽車還處于性能改進(jìn)和小規(guī)模示范階段。
1 燃料電池轎車
我國(guó)燃料電池轎車在動(dòng)力性、續(xù)駛里程等基本性能指標(biāo)方面與國(guó)外的車型基本相當(dāng),zui高車速基本都在150~170 km/h 上下,百公里加速時(shí)間也基本在10~15 s 左右。但由于國(guó)外開(kāi)始采用70MPa 車載儲(chǔ)氫系統(tǒng),一次加注的續(xù)駛里程大大提高。從動(dòng)力系統(tǒng)的基本配置來(lái)看,zui大的差別在于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出能力與電機(jī)的轉(zhuǎn)矩輸出能力上。其中國(guó)外燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率輸出能力基本在80~100kW,比國(guó)內(nèi)的55kW 高出很多,而且具有很高的質(zhì)量比功率和體積比功率指標(biāo)。同等功率輸出能力的電機(jī)具有更高轉(zhuǎn)矩輸出能力,約比國(guó)內(nèi)高50~80Nm,比例達(dá)到25%~40%。
表1 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
豐田 | 現(xiàn)代 | 通用 | 日產(chǎn) | 奔馳 | 上汽 | |
車重 | 1850kg | 2290kg | 1800kg | 1860kg | 1718kg | 1833kg |
zui高車速 | 175km/h | 160km/h | 160km/h | 150km/h | 170km/h | 150km/h |
0~100km/h | 9.6s | 12.6s | 12s | 14s | 11.3s | 15s |
加速時(shí)間 | ||||||
PCE 功率 | 114kw | 100kw | 92kw | 90kw | 100kw | 40kw |
PCE 體積/重 | 37L/56kg | 60L | 130kg | 34L/43kg | 不詳 | 54L/74kg |
量 | ||||||
PCE 低溫啟 | -30℃ | -30℃ | -30℃ | -30℃ | -25℃ | -20℃ |
動(dòng)性能 | ||||||
PCE 鉑用量 | 20g | 40g | 30g | 40g | 20g | 不詳 |
PCE 耐久性 | >5000h | 5500h | 5500h | - | >5000h | 2000h |
氫系統(tǒng)參數(shù) | 122.4L,5kg | 144L,5.6kg | 4.2kg | |||
電機(jī)參數(shù) | 113kw , | 100kw , | 94kw, | 90kw , | 100kw , | 90kw |
335Nm | 300Nm | 320Nm | 280Nm | 290Nm | 300Nm | |
電池參數(shù) | 1.6kwh 鎳氫 | 24kw 鋰離子 | 1.8kwh,35kW | 不詳 | 9kwh | 11kWh |
電池 | 電池 | 鎳氫電池 | ||||
續(xù)駛里程 | 650km | 594km | 320km | 500km | 500km | 400km |
2 燃料電池客車
我國(guó)燃料電池城市客車在加速時(shí)間、zui高車速等動(dòng)力性指標(biāo)方面與國(guó)外的車型基本相當(dāng),zui高車速80km/h 居多,0~50 km/h 加速時(shí)間在20s 左右。續(xù)駛里程適中,一般在250~400 km 之間,氫耗指標(biāo)有一定優(yōu)勢(shì),儲(chǔ)氫瓶的zui高壓力均為35 MPa。
表 2 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
客車廠家 | 美國(guó)Van Hool | 美國(guó)New Flyer | 德國(guó)戴姆勒奔馳 | 日本豐田和日野 | 宇通客車 | 佛山飛馳 |
燃料電池功率 | 120kw | 150kw | 2×60kw | 2×114kw | 30kw/60kw | 88kW |
燃料電池廠家 | US FuelCell | Ballard HD6 | AFCC | Toyota | 億華通 | 上海重塑 |
動(dòng)力電池的 | 17.4kwh,鋰離 | 47kwh,鋰離子 | 26kwh,鋰離子 | 2×1.6kwh2 個(gè)轎車 | 64.5kWh,鋰 | 50kWh, |
容量或功率 | 子(EnerDel) | (Valence) | (A123) | 用的鎳氫電池模塊 | 離子 | |
電機(jī)功率或 | 2×85kw | 2×85kw | 2×80kw | 2×110kw | 100kW | 90kW |
轉(zhuǎn)矩 | Slemens ELFA | Slemens ELFA | Wheel Hub | 2 個(gè)轎車電機(jī) | ||
氫氣氣瓶 | 350bar,8 個(gè) | 350bar,8 個(gè) | 350bar,7 個(gè) | 350bar,8 個(gè) | 350bar,8 個(gè) | 350bar,8 個(gè) |
氫氣量 | 40kg | 56kg | 35kg | 480 升,18kg | 8*150L,25kg | 25kg |
耐久性 | 18000h | 8000h | 12000h | 未公開(kāi) | 未公開(kāi)(4000h) | 10000h |
續(xù)駛里程 | 300 英里 | 300 英里 | 250km | 未公開(kāi) | 600km | 400km |
整車成本 | 未公開(kāi) | 未公開(kāi) | 300m RMB |
3 關(guān)鍵材料
在燃料電池關(guān)鍵材料,如催化劑,質(zhì)子交換膜、膜電極(membraneeletrode assembly MEA)等方面,中國(guó)與國(guó)外水平相比仍存在較大差距,造成中國(guó)與發(fā)達(dá)國(guó)家技術(shù)上這些差距的原因主要分析如下:
1)關(guān)鍵材料未實(shí)現(xiàn)國(guó)產(chǎn)化。上述關(guān)鍵材料如電催化劑、質(zhì)子交換膜、炭紙大都采用進(jìn)口材料,且多數(shù)為國(guó)外壟斷,價(jià)格*;盡管在“十一五規(guī)劃”中國(guó)產(chǎn)替代材料如催化劑、膜、炭紙等取得了可喜成就,然而,由于尚未形成批量生產(chǎn)能力,或者產(chǎn)品質(zhì)量不夠穩(wěn)定。
2)部件制備技術(shù)落后。由于缺少先進(jìn)制備技術(shù)與設(shè)備,使得一些主要部件如雙極板、MEA 等制造質(zhì)量得不到保障,一致性較差。
3)系統(tǒng)耐久性與可靠性有待提高。國(guó)內(nèi)對(duì)電堆耐久性的研究不足,對(duì)系統(tǒng)優(yōu)化提升電堆性能與壽命缺乏深刻的認(rèn)識(shí),造成了輔助系統(tǒng)匹配與控制策略研究過(guò)程中思路簡(jiǎn)單,甚至盲目。
4 燃料電池附件系統(tǒng)對(duì)標(biāo)
在燃料電池附件系統(tǒng)方面,中國(guó)與*水平相比差距很大,基本沒(méi)有成熟產(chǎn)品。
表 3 國(guó)內(nèi)外研究進(jìn)展
國(guó)外現(xiàn)狀與水平 | 中國(guó)現(xiàn)狀與水平 | |
壓縮機(jī) | 21 世紀(jì)初,美國(guó)開(kāi)始在政府支持下開(kāi)發(fā)燃料電池 | 廣東廣順的一家企業(yè)在進(jìn)行燃料 |
壓縮機(jī)。美國(guó)能源部支持了AD Little Inc.、 | 電池離心式壓縮機(jī)的開(kāi)發(fā),目 | |
Honeywell、VAIREX Corporation、Mechanology, | 前處于開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)的初期階段;而且 | |
LL 等企業(yè);瑞典的OpconAutorotor AB 對(duì)多種 | 沒(méi)有將電機(jī)及其控制器進(jìn)行集成 | |
壓縮機(jī)進(jìn)行比較開(kāi)發(fā)。典型的是Honeywell 的離 | 設(shè)計(jì)和優(yōu)化的能力,可靠性和耐久 | |
心式 | 性得不到保證。 | |
壓縮機(jī)和Opcon 的雙螺桿壓縮機(jī),二者已經(jīng)達(dá)到 | ||
產(chǎn)品的要求,在多款燃料電池系統(tǒng)中進(jìn)行了長(zhǎng)時(shí) | ||
間的運(yùn)行。 | ||
加濕器 | 主流技術(shù)是Gas-to-Gas 加濕器。已有多廠家開(kāi) | 尚無(wú)相應(yīng)的零部件開(kāi)發(fā)商開(kāi)發(fā)此 |
發(fā)出加濕器形成產(chǎn)品。能夠滿足備用電源到燃料 | 類產(chǎn)品,基本上是采購(gòu)國(guó)外的產(chǎn) | |
電池公交車用的加濕需要。美國(guó)的Perma-Pure | 品。一些研究單位開(kāi)展了基礎(chǔ)研 | |
生產(chǎn)的管式加濕器、加拿大Dipont 生產(chǎn)的板式 | 究;在如何小型化或取消增濕器方 | |
加濕器、德國(guó)Mann-Hummel 生產(chǎn)的板式和管式 | 面,缺少系統(tǒng)優(yōu)化的經(jīng)驗(yàn)和能力。 | |
加濕器和德國(guó)Freudenberg FCCT 生產(chǎn)的管式加 | ||
濕器等;豐田等企業(yè)采用先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計(jì),取消了 | ||
加濕器,提高低溫冷啟動(dòng)性能。 | ||
氫循環(huán)裝置 | 美國(guó)Park 公司開(kāi)發(fā)出氫氣循環(huán)泵,可用于不同 | 尚沒(méi)有見(jiàn)過(guò)有廠家進(jìn)行過(guò)類似產(chǎn) |
的燃料電池汽車,美國(guó)Argonne 國(guó)家實(shí)驗(yàn)室,開(kāi) | 品的研發(fā)。一些研究單位開(kāi)展了基 | |
發(fā)了氫氣引射裝置(E-jector)以及與氫循環(huán)泵混 | 礎(chǔ)研究。缺少大流量的氫氣再循環(huán) | |
合循環(huán)系統(tǒng),各大汽車公司也開(kāi)發(fā)相應(yīng)的氫氣循 | 泵及其驅(qū)動(dòng)電機(jī)。 | |
環(huán)。 | ||
裝置,并用于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。 | ||
DC/DC | 豐田已經(jīng)將DC/DC 與燃料電池直接集成在一 | 尚沒(méi)有專門從事針對(duì)燃料電池 |
起,作為燃料電池系統(tǒng)的一個(gè)執(zhí)行器,提高了系 | DC/DC 研發(fā)的廠家,針對(duì)燃料電 | |
統(tǒng)集成度。 | 池的特殊控制和保護(hù)邏輯尚不清 | |
楚。 |
5 國(guó)內(nèi)燃料電池汽車存在問(wèn)題
目前制約中國(guó)燃料電池汽車發(fā)展的瓶頸包括貴金屬成本及中毒問(wèn)題、燃料電池穩(wěn)定性問(wèn)題、氫供給難題等技術(shù)性制約因素。燃料電池耐久性問(wèn)題。以車用燃料電池的基本要求為例,轎車用
燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行壽命必須達(dá)到3000~5000h。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)氫燃料電池的穩(wěn)定壽命還在3000 小時(shí)左右,而*技術(shù)已經(jīng)可以達(dá)到5000 小時(shí)以上。
關(guān)鍵材料和核心零部件薄弱。我國(guó)燃料電池關(guān)鍵材料和部件基礎(chǔ)比較薄弱,如燃料電池用電化劑、質(zhì)子交換膜、炭紙等關(guān)鍵材料的開(kāi)發(fā)多停留于實(shí)驗(yàn)室和樣品階段,空氣壓縮機(jī)和氫氣回泵等關(guān)鍵部件沒(méi)有產(chǎn)品供應(yīng),嚴(yán)重影響到我國(guó)車用燃料電池電堆技術(shù)的開(kāi)發(fā)進(jìn)程。
氫氣儲(chǔ)存問(wèn)題。我國(guó)使用的壓力為35MPa 的碳纖維纏繞金屬內(nèi)膽氣瓶(Ⅲ)的儲(chǔ)氫密度為3.9%,通過(guò)提高壓力到70MPa 可達(dá)到5%;而采用碳纖維纏繞塑料內(nèi)膽氣瓶(Ⅳ)儲(chǔ)氫密度可以進(jìn)一步提高到5.5%。我國(guó)在IV 瓶方面尚沒(méi)有技術(shù),在70MPa 的Ⅲ瓶方面僅有研發(fā)成果,沒(méi)有產(chǎn)品。另外,目前正在探討和研發(fā)的另外一條路徑是有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)氫值得重視,國(guó)內(nèi)有一定的研究基礎(chǔ),但缺乏示范考核。
我國(guó)燃料電池材料與關(guān)鍵部件技術(shù)基礎(chǔ)與*水平差距較大,耐久性、功率密度和低成本技術(shù)明顯落后。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)等關(guān)鍵零部件方面,基本沒(méi)有成熟產(chǎn)品,產(chǎn)業(yè)鏈配套體系很不完善;燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的耐久性方面,我國(guó)僅為幾千小時(shí),國(guó)外上已實(shí)現(xiàn)超過(guò)1萬(wàn)小時(shí);轎車集成和控制的水平差距不大,但燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的功率密度明顯低;燃料電池客車的混合動(dòng)力系統(tǒng)