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    燃料电池电动汽车发展现状和趋势

    作者:李建秋 张国强 张娟 出版时间:2015年08月
    摘要:

    对国外燃料电池电动汽车,尤其是美国和加拿大,欧洲,日本和韩国等的燃料电池电动汽车的发展现状进行了综述,指出了燃料电池电动汽车原来面临的主要瓶颈——成本高和耐久性差逐步取得突破,燃料电池电动汽车开始进入商业化规模应用阶段。对我国燃料电池电动汽车发展进行了总结和国际对标,指出我国燃料电池轿车、燃料电池客车和燃料电池发动机与国外先进水平的差距,并进一步从电堆材料和零部件、燃料电池发动机、动力系统和整车以及氢基础设施等层面,提出具体的发展思路和发展目标,针对2020~2025年预期目标,提出产业技术建议和产业政策建议。

    燃料电池电动汽车是指由燃料电池系统作为动力源或主动力源的汽车。燃料电池是一种将外部供应的燃料(氢)和氧化剂(氧)中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其他反应产物的发电装置,其过程不涉及燃烧,无机械损耗,能量转化率高,产物仅为电、热和水蒸气,运行平稳,无振动和噪声,被认为是21世纪的绿色能源。燃料电池电动汽车一般包括纯燃料电池驱动,或者燃料电池加上动力电池的电-电混合动力驱动,由于后者相对前者可以实现制动能量回收,可以实现更好的经济性和耐久性,因此越来越多被工业界所采用。基本上可以说,目前的燃料电池电动汽车,实际指燃料电池(加动力电池的)混合动力汽车。

    《中国制造2025》将“节能与新能源汽车”作为重点发展领域,明确了“继续支持电动汽车、燃料电池电动汽车发展”的要求,为新能源汽车的发展指明了方向。其中,首次明确提出了针对燃料电池电动汽车的国家层面的规划,包括推广数量及关键技术指标,即2020年实现燃料电池关键材料批量化生产的质量控制和保证能力,生产1000辆燃料电池电动汽车并进行示范运行;到2025年,制氢、加氢等配套基础设施基本完善,燃料电池电动汽车实现区域小规模运行。这些目标充分体现了国家推广燃料电池电动汽车的决心。然而,通过比对国外同期的技术及产业发展水平,发现尽管国家规划对燃料电池电动汽车未来的各项要求已经较目前水平有了大幅提升,但是距离国外标杆企业仍有较大差距。本文将从国内外的燃料电池电动汽车技术及产业实际发展情况出发,说明目前国内燃料电池电动汽车研发和推广所处的实际水平及产业发展所面临的问题,提出在《中国制造2025》指导下未来燃料电池电动汽车发展的相关建议。

    一 国外燃料电池电动汽车发展现状和趋势

    在过去的25年间,世界各国主要汽车生产商一直在进行有关燃料电池电动汽车的研发,只是侧重点不同而已。随着20世纪90年代燃料电池电堆的发展,汽车生产商们纷纷意识到燃料电池电堆对于整车性能及成本至关重要,并在2000~2010年间纷纷开始自主研发燃料电池。在2008~2015年期间,燃料电池的耐久性、环境适应性和成本取得了明显的进步,汽车生产商们预计2020~2030年间将迎来燃料电池电动汽车的市场化,并纷纷提出要在2020年前上市其燃料电池电动汽车产品。美国、日本、韩国及欧盟等国家政府也积极计划部署加氢站建设来支撑早期的燃料电池电动汽车市场发展。

    (一)美国和加拿大

    美国和加拿大是燃料电池研发和示范的主要区域。在美国能源部(DOE)、交通部(DOT)和环保局(EPA)等部门的支持下,燃料电池技术近年来取得了很大的进步,通用、福特、丰田、戴姆勒奔驰、日产、现代等整车企业都在美国加州参加了燃料电池电动汽车的技术示范运行,并培育了联合技术公司(UTC,美国)、巴拉德(Ballad,加拿大)等国际知名的燃料电池研发和制造企业。

    美国在2006年专门启动了国家燃料电池公共汽车计划(National Fuelcell City Bus Program,NFCBP),进行了广泛的车辆研发和示范工作。2011年美国燃料电池公共汽车实际道路示范运行单车寿命最长超过11000小时[1];到2015年,运行的公交车平均累计运行时间已经达到9000小时(仍然在运行),最长的车辆寿命超过了18000小时。预计到2016年底,美国燃料电池公共汽车的使用寿命将达到2万~3万小时,车辆的性能达到传统柴油客车的水平,实现每天19小时的运行和出勤率,故障间隔里程大于4000英里。

    通用曾经于2007年投放了100辆雪佛兰Equinox燃料电池电动汽车直接给消费者使用,2009年达到了100多万英里的行驶里程[2]。在降低成本和提升燃料电池的性能上,通用新一代燃料电池体积比雪佛兰Equinox缩小了一半,重量减轻了220磅,使用的铂金仅为原来的1/3。预计到2017年,100kW燃料电池发动机的铂金用量将下降到10~15g,达到传统内燃机三效催化剂的铂金用量水平,将为量产做好准备[3]。表1为美国通用公司的两代燃料电池系统性能对比。

    表1 美国通用公司两代燃料电池发动机系统的性能对比

    表2为美国能源部对燃料电池轿车成本的估计,预计到2020年,在年生产量20万辆的条件下,随着燃料电池技术的进步(100kW电堆铂用量下降到10g),燃料电池轿车成本将低于3万美元[4]

    (二)欧洲

    欧洲的燃料电池客车示范计划(