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泗澜通
5 years ago
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1 燃料电池汽车一技术发展总体情况从我国燃料电池汽车技术发展的情况来看, 从国家八五计划开始, 直到国家十二五 863 等重大科技专项的支持下, 我国燃料电池汽车技术在近些年取得了长足的发展, 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但是受限于燃料电池发动机功率密度燃料电池寿命燃料电池成本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, 与国外发达国家及企业燃料电池汽车研发与推广仍然存在一定差距另外, 由于我国燃料电池产业化程度不高, 燃料电池汽车核心零部件企业利润较低, 因此相关零部件企业数量较少, 而配套产业薄弱使得一些如隔膜催化剂炭纸等关键材料依赖进口, 同时也导致核心技术研发进展缓慢二燃料电池汽车技术发展特点 1. 全球燃料电池汽车技术发展特点从全球汽车厂商燃料电池汽车的研发情况来看,2013 年, 几大主要汽车厂商纷纷联手, 形成合作开发联盟的模式, 旨在降低成本, 技术共享, 通过技术联盟实现燃料电池技术突破 2013 年 1 月, 戴姆勒福特和雷诺 - 日产签订了三方协议, 未来将联合开发一款通用燃料电池系统, 加速推广零排放技术, 并大幅削减成本开支预计第一款价格可承受的燃料电池新车将在 2017 年问世 2013 年 1 月 24 日, 宝马公司与丰田公司也宣布了在 FCV 方面的合作, 这两家公司计划将于 2020 年左右推出燃料型汽车协议涉及丰田汽车将燃料电池技术的特许权给予宝马汽车公司, 并为宝马提供传动系统以及氢储存技术宝马汽车公司将利用这一技术将在 2015 年前研发出

2 一款搭载氢燃料电池的新车型, 并计划在 2020 年投放市场 2013 年 7 月, 通用汽车 (GM) 与本田汽车公司 (HMC) 宣布, 将合作开发氢燃料电池汽车, 预计将于 2020 年上市, 此举是为降低燃料电池技术的成本并达到更严格的全球温室气体排放标准而进行的努力的一部分为了更好地发展燃料电池技汽车, 中国也需要更多车企联合起来共同开发燃料电池车 2. 国内燃料电池汽车技术发展特点虽然我国燃料电池汽车技术在近些年取得了长足的发展, 但与国外相比, 技术差距仍然不小在中国, 上汽集团的燃料电池汽车技术处于领先地位, 我们在此就以上汽集团和国际综合情况进行列表对比, 从而可知道国内和国际上的差距从燃料电池汽车的整车性能参数来看, 上汽自主研发的第三代燃料电池汽车在性能上明显优于上一代, 但与国际水平相比, 目前, 整车除了在续驶里程和冷启动温度性能指标上与国际水平存在差距外, 还在耐久性和可靠性等指标上存在较大差距具体参数比较可见下表性能单位上汽第三代 Plug in 863 本田丰田现代通用戴姆勒最高车速 km/h km/h 加速时间 s 氢瓶压力 / 容量 bar 350/ 3.6kg 350/ 3.6kg 350/ 4.0kg 700/ 5.0kg 700/ 5.8kg 700/ 4.2kg 700/ 3.7kg 续驶里程 km 300/16(EV) 冷起动温度驱动电机 kw /70 电机扭矩 Nm 电池能量 kwh 在燃料电池发动集成度方面, 上汽集团轿车用燃料电池发动机额定效率体

3 积比功率等性能参数低于国外同类型燃料电池汽车用燃料电池技术性能详细参数情况可见下表指标单位上汽丰田本田通用现代奔驰美国能源部额定效率 % 体积比功率 W/L > 冷启动温度运行温度在燃料电池汽车关键零部件的研发方面, 作为关键零部件之一的储氢装置, 35Mpa 车载供氢系统的车载高压储氢瓶全面实现了国产化, 且具有一定的批量生产的能力, 技术水平与国外先进水平相当, 制造成本仅为国外的 60% 左右但在系统关键阀组件的研制上差距较大, 目前基本依赖进口欧美日经过多年的研发, 先后开发出基于 70Mpa 车载供氢系统的燃料电池汽车, 并成功地进行了示范而我国在 70 Mpa 车载供氢系统的研发方面基本处于空白除此之外, 国内对于压缩机加湿器氢循环装置的燃料电池辅助系统的开发研究十分之少, 基本没有成熟的产品, 这与国外的差距甚大另外, 在燃料电池关键材料, 如催化剂, 质子交换膜等方面, 目前主要以进口为主这些关键部件或材料具有技术含量高处于相对垄断, 进口价格昂贵三 2013 年实现的主要技术突破点上汽在燃料电池汽车领域处于国内领先地位上汽制定了燃料电池汽车十二五发展规划经过多年开发, 项目总体按进度发展, 在燃料电池整车系统和电堆等方面都取得了很大进步, 如功率密度, 可靠性, 耐久性都有很大提高, 成本也在逐渐下降由上汽主导开发的第三代燃料电池汽车, 最高车速可以超过 150km/h, 0-100km/h 加速时间在 15s 以内, 单次续航里程超过 300km, 是上一代的 2 倍, 这样的表现足以满足日常的使用需求同时, 上汽新一代燃料电池汽车实现国内首次无外热源零下 10 整车冷启动, 整车寿命比上一代提高 2 倍, 同时整车可靠性比上一代大大提高 : 由上一代平均无故障 500km 提高到了平均无故脏大于 2000km,

4 整车成本也逐渐降低该燃料电池汽车采用荣威 750 车型平台集成中等容量动力蓄电池 (5.5kWh/16Ah) 和小型加压燃料电池系统 (30kW) 并配备可插电技术的燃料电池轿车整车续驶里程以燃料电池为主, 加以利用蓄电池能量系统还配备了 On-board 蓄电池充电器, 可以利用市网给动力蓄电池充电燃料电池运行在多个固定点, 减少动态变化, 提高可靠性在系统开发上, 上汽建立开发车用燃料电池系统的能力, 建立并培养了燃料电池相关零部件系统开发仿真策略调试试验的人才 ; 建立了两地 ( 上海大连 ) 三方 ( 上汽新源动力大连新源动力上海 ) 的联合开发合作团队同时, 开发了系统测试平台和测试规范, 积累了测试数据能够验证系统在开路启停怠速高载等工况条件的性能 ; 分析和解决电堆失效和系统故障, 积累了一定的问题解决能力而由上汽主导开发的新一代系统, 其 FCS 功率密度提升大于 30%, 实现了 -10 冷启动, 并且延长了寿命, 降低了成本, 建立了关键零部件国内供应链另外, 在关键零部件和材料的开发中, 上汽通过产学研合作, 研发出的新型催化剂活性是国际商业催化剂的 3 倍, 成本降低 25%; 开发出的金属双极板可以使电堆体积功率密度提高 1 倍 ; 开发出的国产空压机成本是进口空压机的 20% 四目前亟需解决的技术难点及解决方案目前, 燃料电池整车性能能指标可靠性耐久性以及成本都与国外存在巨大的差距, 是目前亟需坚决的技术难点 1. 性能指标续航里程在车辆续驶里程方面, 上汽新一代燃料电池汽车续航里程达到了 300km, 而国际上一些车企研发出的燃料电池汽车续航里程最高已经能达到 650~700km 可见, 续航里程是目前国内燃料电池汽车亟需突破的难点之一提高氢瓶压力, 是提高续航里程的坚决方案之一到目前为止, 我国基本掌握了 350MPa 高压储氢和加注系统关键技术,700MPa 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里程提高上汽计划将氢

5 瓶压力提高至 700MPa, 从而提高燃料电池汽车续航里程, 并计划于年推出第四代燃料电池汽车, 其续航里程目标大于 400km 低温冷启动上汽新一代燃料电池汽车虽然实现国内首次无外热源零下 10 整车冷启动, 但与目前国际上的水平还是存在一定差距 : 本田丰田已实现零下 30 整车冷启动 ; 现代戴姆勒已实现零下 25 整车冷启动相比之下, 我国燃料电池汽车整车冷启动性能还有待进一步提高通过一系列的解决方案可以改进整车冷启动性能, 如材料如 MEA 需进一步改进在工程设计上, 通过改进双极板的流道设计系统及零部件的设计也可改进整车冷启动性能另外, 在整车控制策略中, 利用电推的热来融化冰以及利用系统的能量平衡也是解决方案之一 2. 可靠性和耐久性目前, 整车除了在续航里程冷启动温度等性能指标上与国际水平存在差距外, 还在可靠性和耐久性等指标上存在较大差距为了提高整车的可靠性, 可进一步改进关键零部件的可靠性, 如电堆和 DCF 另外, 可通过更好的工程设计 ( 如线束设计 ) 以及优化控制策略和算法, 也可提高整车可靠性对于整车的耐久性, 可以通过改进 MEA 耐久性来提高整车的耐久性, 其中包括材料以及制造工艺和质量的改进另外, 优化电堆设计 ( 如优化密封设计流道设计 ) 优化系统设计( 如优化热管理以利于均匀温度分布 ) 优化整车及系统控制策略 ( 如减少燃料电池功率波动 ) 等解决方案均可提高整车的耐久性另外, 除了系统级别的优化控制外, 更主要的是要开发出更能适用车用工况的系统级别下的关键零部件及材料 : 如电堆及膜电极, 金属双极板, 空压机, 高压储氢材料等 3. 成本燃料电池的高成本使得我国国内车企对燃料电池汽车的研究热情并不高氢燃料电池汽车成本过高是全球车企需要共同面对的问题, 中国在相关方面也被拉开较大差距目前, 上汽研发出的第三代燃料电池汽车材料成本已小于 100 万元 / 辆, 并计划第四代燃料电池汽车材料成本低于 50 万元 / 辆而在国际上, 丰田计划 2015 年, 将燃料电池汽车材料成本降低至 5 万美元 / 辆

简化系统统设计并减少少系统零部部件简化主主要零部件结结构 ( 如电电堆氢瓶等 )

建立国产产供应链链以代替进进口零部件等等都是降低低燃料电池汽汽车成本的的解决方案五重点车型技术特特点分析 1.

以燃料料电池系统为为主动力力源 ( 氢气气为燃料 ), 动力蓄电池池作为辅助助动力 ( 可使使用民用 220V

加速时时间在 15s 以内, 单次续航里程超超过 250km 同时, 第三三代燃料电电池汽车整车车冷启动动温度达到

第四代上海牌牌插电式燃燃料电池汽车车的氢瓶瓶压力将达达到 700bar, 最大续航里里程将达到 400km,

6 简化系统统设计并减少少系统零部部件简化主主要零部件结结构 ( 如电电堆氢瓶等 ) 尽量量用常规车车已量产的零零部件减少材料成本本改进生产产制造方法法建立国产产供应链链以代替进进口零部件等等都是降低低燃料电池汽汽车成本的的解决方案五重点车型技术特特点分析 1. 上海牌牌插电式燃料料电池轿车由上汽研研发的第三代代燃料电池池汽车采用 Plug-in 技术, 以燃料料电池系统为为主动力力源 ( 氢气气为燃料 ), 动力蓄电池池作为辅助助动力 ( 可使使用民用 220V 交流电源源进行充充电 ), 实现现了能源多元化该车车星最高车车速可以超过 150km/h, 0-100km/ /h 加速时时间在 15s 以内, 单次续航里程超超过 250km 同时, 第三三代燃料电电池汽车整车车冷启动动温度达到 -10, 寿命和可靠性性都有所提提高, 整车成成本也逐渐渐降低而据上汽汽燃料电池汽汽车发展规规划来看, 第四代上海牌牌插电式燃燃料电池汽车车的氢瓶瓶压力将达达到 700bar, 最大续航里里程将达到 400km, 其冷冷启动温度度也将达到 -20 另外, 其可靠性性将进一步提提高, 平均均无故障里程程将从第三三代的 2000km 提高至 5000km 同时, 其材材料成本将将下降至小于 50 万元 / 辆具体上上汽燃料电池池汽车的的发展规划可见下表第一代第二代第三代第四代 (2008 年 ) (2010 年 ) ( 年 ) (2015 年 ) 材料成本, 万元 / 辆 < 100 < 50 最高车速, km/h

加速 0~100km/h, s 15 15 14 12 氢燃料容量, L 74 148 120 120 氢瓶压力, bar 350 350 350 700 续驶里程, km 150/16 300/16 300/20 >400/20 冷起动温度, > 0 > 0-10 -20 驱动电机, kw 88 88 90 100 平均无故障里程, km 500 2000 5000 2.

7 加速 0~100km/h, s 氢燃料容量, L 氢瓶压力, bar 续驶里程, km 150/16 300/16 300/20 >400/20 冷起动温度, > 0 > 驱动电机, kw 平均无故障里程, km 丰田 FCV 在车身尺寸方面,FCV 概念车拥有 mm 的三维尺寸, 轴距 2780mm, 完全能够满足车内乘员的宽敞乘坐整套燃料电池动力经过丰田的小型化轻量化改进之后拥有最大 100kW 的输出功率, 燃料储存罐一次加满只需 3 分钟, 在便利性上和加汽油完全没有区别, 同时一次加注可以拥有 500km 的续航里程, 同样也能够达到目前车辆的标准要求丰田表示, 这辆已经具备了高度量产化基因的 FCV 有望于 2015 年正式上市, 量产版车型的造型也仅仅是在概念车上稍作修改届时 FCV 将成为首款上市销售的燃料电池汽车, 唯一担心的恐怕还是氢燃料基础设施的建设 3. 本田 FCEV 概念车在 2013 年的洛杉矶车展上, 本田 FCEV 氢动力概念车首次亮相动力方面, 该车的氢燃料电池组可以产生 100 千瓦的能量, 功率为 3 千瓦 / 升, 相比于之前的 FCX Clarity 使用的电池组, 功率提升了 60%, 重量减少了 33% 本田 FCEV 概念车的行

8 驶距离可以超过 300 英里 ( 约 480 公里 ) 另外, 本田 FCEV 燃料电池概念车拥有 70Mpa 车载供氢系统, 能在 3 分钟之内补充完燃料据悉, 该款氢动力燃料电池汽车将在 2015 年登陆美国和日本市场, 随后还将投放欧洲市场 4. 现代 ix35 FCV 2013 年 2 月, 世界上第一辆量产版氢燃料电池车在现代汽车韩国蔚山工厂正式下线现首批现代 ix35 燃料电池车将交付给丹麦和瑞典的客户现代汽车计划到 2015 年共生产 1000 台 ix35 燃料电池车, 主要针对公共领域或集团客户现代 ix35 FCV 和所有氢动力汽车一样, 水蒸气是其唯一排放的尾气, 该车最高功率 73kw, 最高时速 151km/h, 百公里加速 12.5 秒其驱动过程为 : 将电量储存到 24kwh 锂电池组, 然后用电机驱动车辆, 续航里程达到 594km 与传统意义上的电动汽车不同的是,ix35 燃料电池车加氢只需要几分钟时间, 而且加氢站的建设要较电动汽车充电站更为环保和便宜

对于 ix35 燃料电池车来说, 最大的问题恐怕还是价格, 预计售价在 20 万美元左右 ( 约合人民币 125 万元, 这一估价可能并不准确 ), 与对手相比缺乏竞争力, 例如丰田推出的 FCV-R 氢燃料电池车售价则是 10 万欧元 ( 合 13 万美元约合人民币 100 万元 ), 且在 2015 年投产时可望便宜一半左右因此现代汽车也表示, 在两年后使燃料电池驱动车型的生产成本降至

9 对于 ix35 燃料电池车来说, 最大的问题恐怕还是价格, 预计售价在 20 万美元左右 ( 约合人民币 125 万元, 这一估价可能并不准确 ), 与对手相比缺乏竞争力, 例如丰田推出的 FCV-R 氢燃料电池车售价则是 10 万欧元 ( 合 13 万美元约合人民币 100 万元 ), 且在 2015 年投产时可望便宜一半左右因此现代汽车也表示, 在两年后使燃料电池驱动车型的生产成本降至 4.6 万美元 ( 约合人民币万元 ) 六未来几年燃料电池汽车技术发展趋势在众多车企纷纷投身于纯电动汽车插电式混合动力汽车的研发及推广的热潮中时, 燃料电池汽车似乎渐渐淡出人们的视线, 但实际上, 它并没有被车企所遗忘 2013 年 1 月,JX 日本石油和能源公司宣布计划在全日本总共建设 100 个加氢站同年, 美国能源部启动了一项名为 H2USA 的项目, 支持氢燃料电池研发, 计划拨款修建加氢站 2013 年 2 月, 英国政府宣布氢燃料电池汽车发展计划, 计划将从 2015 年起实现氢燃料电池汽车本土化生产, 并自行研发相关技术, 另外还将建设氢燃料补给站 2013 年 7 月, 欧盟委员会公布了联合技术计划, 其中 14 亿欧元将被用于第二阶段的燃料电池与氢能联合技术计划 (FCH JTI), 具体目标包括 : 将燃料电池系统成本降低 90% 将燃料电池发电效率提高 10% 力争可以利用来自可再生能源的电力大规模制氢德国计划投资 4000 万欧元, 到 2015 年至少建成 50 座加氢站, 以满足 5000 辆燃料电池车的需求,2020 年实现 50 万辆燃料电池汽车投入使用另外,2013 年 9 月及 2014 年 1 月, 我国四部委联合发布关于继续开展新能源汽车推广应用工作的通知, 燃料电池乘用车和商用车分别可

10 获得 20 万元和 50 万元的财政补贴可见,2013 年, 国内外有关政府及主要车企对燃料电池汽车的研发及深入推广给予了高度的重视, 同时加快了加氢站建设的步伐, 燃料电池汽车热度再起目前, 燃料电池汽车的动力系统均为燃料电池组锂离子或是镍氢蓄电池的混合为主也出现了一些其它形式 : 插电式 (plug-in), 如上海牌的 plug-in 燃料电池汽车 ; 燃料电池增程式 (range-extended), 以及燃料电池与传统内燃机的混合形式等不同的动力系统有着各自适合的车型和应用特点, 燃料电池组与蓄电池 ( 或是超级电容 ) 的混合动力应该是燃料电池汽车动力系统的主流发展方向另外, 燃料电池汽车的底盘结构和形式的创新改进也将会是一个新的课题新研发的燃料电池电动汽车采用滑板式底盘, 将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同时, 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因此, 燃料电池汽车的高度电气化也是未来的发展趋势随着燃料电池汽车技术的提高, 再加上国内外政府及车企对燃料电池研发及推广的大力投入, 氢燃料电池汽车市场化的脚步正在越来越近 ( 上汽集团黄晨东, 章道彪 )

Management2.0: Competitive Advantage through Business Model Design and Innovation

Management2.0: Competitive Advantage through Business Model Design and Innovation 2014-2016 年全球和中国燃料电池产业链研究报告 2013 年全球燃料电池出货量为 215.3MWh, 其中大型固定式 (Stationary) 燃料电池电站出货量占比最大, 约为 187MW 大型的燃料电池电站应用主要集中在美国韩国和日本, 主要应用于发电热电联产 IT 数据中心等截止到 2014 年, 燃料电池在汽车领域的应用规模虽较小, 但却是最为重要的应用领域经过二十多年的发展,