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氢燃料电池车关键技术——SiC与储氢罐

发布日期: 2018-10-22
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氢燃料电池车是新能源车的终ji目标

氢燃料电池车没有里程焦虑,氢燃料电池车可以轻易做到综合工况下650公里的续航,大部分传统新能源车都在300公里以下。

加大储氢罐,氢燃料电池车甚至可以超越汽油车。加氢只需要3分钟,和汽油车一样。同时可以应对宽温度范围。

氢燃料电池车比汽油车还要安全,作为液体,碳基燃料一旦泄露就会流动散布开来。

当传统燃料燃烧时,会产生灰烬,同时辐射大量的热。然而氢却不是这样。氢燃烧时不产生热的灰烬,很少辐射热量。

更重要的是,当氢气泄漏时,它不是流动开来,而是迅速挥发散布在大气中,所以它几乎没有时间来燃烧。

氢是地球上取之不尽用之不竭的能源,而且在驱动汽车时,排放的只有水气,没有二氧化碳,是真正的零排放。

目前绝大多数电动车仍然需要从电网中获得电能,而中国的电能80%来自燃煤发电厂,燃煤发电厂的污染程度是相当高的。

中国有全球zui丰富的煤炭资源,这就注定我国的能源格局中,燃煤发电至少在50年内都是电能的主要来源。

尽管这几年中国一花独秀地大力推进纯电动车的发展,但是也确信氢燃料电池车是节能减排的终ji方案。

按照工信部2016年10月发布的氢燃料电池车发展规划,到2020年,燃料电池车将会达到5000辆,2025年达到5万辆,2030年达到100万辆。同期建设加氢站分别为100座,350座和1000座。

中国发展氢燃料电池车有个突出优势,这就是中国是世界上钢厂、炼化、煤气化厂分布密度高的国家,所有大中城市周边均有钢厂、炼化或煤气化厂。

炼钢和化工行业会产生大量的副产品氢气,这就是焦炉煤气。焦炉煤气提取的氢气成本大约为人民币每公斤30元,远低于汽油的价格。

光是在上海钢铁和化工产业产生的氢气副产品,就足以可以支撑40万辆新能源车的行驶;对于山西的话,足以支撑500万辆氢燃料电池车。

钢铁工业已经形成一套经过多年安全验证的氢气的储存与运输方式,可以低成本改造为加氢站。

对新能源车来说,电池、VCU、BSM、电机效率都缺乏提升空间,有提升空间的当属电机驱动部分。

而电机驱动部分核心的元件IGBT则是需要重视的,IGBT约占电机驱动系统成本的一半,而电机驱动系统占整车成本的15-20%,也就是说IGBT占整车成本的7-10%,是除电池之外成本第二高的元件,也决定了整车的能源效率。

不仅电机驱动要用IGBT,新能源的发电机和空调部分一般也需要IGBT。

也正因为IGBT太重要,丰田在开发混合动力车时就认定IGBT管要完全控制在手中,丰田也是全球唯yi能够自产IGBT管的汽车厂家(自产,而不是买别人的晶圆再做封装),普锐斯也因此获得强大的生命力,也是目前全球唯yi的强混合动力车。

不仅是新能源车,直流充电桩和机车(高铁和地铁)的核心也是IGBT管,直流充电桩30%的原材料成本就是IGBT。

电力机车一般需要 500 个 IGBT 模块,动车组需要超过 100 个 IGBT 模块,一节地铁需要 50-80 个 IGBT 模块。

特斯拉成本节约之处

特斯拉Model X使用132个IGBT管,由英飞凌提供,其中后电机为96个,前电机为36个,每个单管的价格大约4-5美元,合计大约650美元。

如果改用模块的话,估计需要12-16个模块,成本大约1200-1600美元。特斯拉使用单管的原因主要是成本。

Si IGBT向SiC MOSFET转换

SiC PCU

丰田内部完成SiC元件所有工序

混动上也大量使用SiC

特斯拉Model 3长续航的奥秘

特斯拉与SiC

特斯拉是继丰田后第二家使用全SiC功率模块的车企,工程设计部门直接与意法半导体的合作,特斯拉逆变器由24个1-in-1功率模块组成,这些模块组装在针翅式散热器上。

如图所示,实际的连接还有很多的细节,在拆解过程中发现,为了有效地做好这些连接,使用了大量的激光焊接的工艺,来把MOSFET与铜母线相连。

SiC在氢燃料车上

成本逐渐降低

两大技术难点,沟槽与集成SBD

SiC的产业状况

日本遥遥领xian,英飞凌收购Wolfspeed被美国CFIUS拒

中国严重落后,差距在10年以上

IGBT目前已经发展到7.5代,第7代由三菱电机在2012年推出,三菱电机目前的水平可以看作7.5代,同时IGBT的下一代SiC技术已经在日本全面普及,无论三菱这样的大厂还是Fuji、Rohm这样的小厂都有能力制造出SiC元件,我国目前停留在第三代水平上,差距在10年以上。

Si IGBT与SiC MOSFET的技术有相通之处,拥有IGBT技术有利于开发SiC产品。

SiC基板材料技术短缺,严重制约中国、德国和美国的SiC元件的发展,同时也无法降低成本。日本即使小厂都能自制SiC基板,材料科技全球。

 

氢燃料电池车核心技术:储氢罐

储氢罐为何重要?

1、高成本,储氢罐是氢燃料电池车中除了电池外占成本比例第二高的零部件,乘用车车载储氢罐一般储存6kg左右的高压氢气,保证行驶里程(600km),储氢罐的体积和重量将分别在240L和130kg左右,国外储氢压力70MPa,国内35MPa,且多采用金属材料,效率低下,体积庞大,重量惊人,成本极高,只能用于公交车和货车大型车辆。

国外储氢罐一般使用碳纤维,预计乘用车高压储氢瓶成本5~6万元,其中碳纤维材料的成本约为60~70%。日本是全球zui大的碳纤维出口国,全球市场占有率超过95%,日系氢燃料电池车具备成本优势。

2、大体积,储氢罐是氢燃料电池车中体积大的底盘下部件,储氢罐决定了乘坐空间的大小。

3、安全 。储氢罐必须保证安全,需要进行多项的测试、氢气循环试验、火灾试验、冲击破坏试验、极端温度压力循环试验、贯穿试验、化学暴露试验等等。这导致其技术门槛大幅度提高。

4、续航里程。氢气储存的越多,自然续航里程越远,但这可能导致更高的储氢罐重量。

储氢罐发展历史

早为纯金属储氢罐,由于是单层结构,无法对容器安全状态进行实时在线监测。因此,这类储罐仅适用于固定式、小储量的氢气储存,远不能满足车载系统要求。

后来出现金属内胆外加碳纤维缠绕,初仅是罐体中部缠绕,后来发展到全罐缠绕。

缠绕方案主要包括层板理论与网格理论。多层结构的采用不仅可防止内部金属层受侵蚀,还可在各层间形成密闭空间,以实现对储罐安全状态的在线监控。

全复合材料轻质纤维缠绕储氢罐是终ji目标

为了进一步降低储罐质量,人们利用具有一定刚度的塑料代替金属,制成了全复合轻质纤维缠绕储罐。

这类储罐的筒体一般包括3 层:塑料内胆、纤维增强层、保护层。

塑料内胆不仅能保持储罐的形态,还能兼作纤维缠绕的模具。同时,塑料内胆的冲击韧性优于金属内胆,且具有优良的气密性、耐腐蚀性、耐高温和高强度、高韧性等特点。全复合轻质纤维缠绕储罐的质量更低,约为相同储量钢瓶的50%,因此,其在车载氢气储存系统中的竞争具备优势。

丰田在2015年5月举行的日本汽车技术协会春季大会(日本汽车技术协会主办)上,就燃料电池车“MIRAI”配备的高压储氢罐的轻量化发表了演讲。 

高压储氢罐采用三层结构,内层是密封氢气的树脂衬里,中层是确保耐压强度的碳纤维强化树脂(CFRP)层,表层是保护表面的玻璃纤维强化树脂层。

MIRAI的储氢罐的轻量化瞄准的是中层。中层采用的是对含浸了树脂的碳纤施加张力使之卷起层叠的纤维缠绕(Filament winding)工艺。

缠绕方法有强化筒部的环向缠绕、强化边缘的高角度螺旋缠绕和强化底部的低角度螺旋缠绕三种,三种方式均减少了缠绕圈数。

环向缠绕通过使高应力区集中在内层来确保强度,减少了缠绕的总圈数。

角度螺旋缠绕通过改变塑料衬里的形状,减少了向筒部缠绕圈数,在筒部辅以环向缠绕。

低角度螺旋缠绕通过减小管底的开口部,减小了表面压力,从而降低了用量。通过削减这三种方式的缠绕圈数,使CFRP的用量比原来减少了40%。

通过将CFRP用量减少40%,使重量效率比原来提高了20%,达到了全球zui高水平的5.7wt.%。

复合材料轻质纤维缠绕储氢罐关键技术:缠绕机

缠绕机是复合材料储氢罐关键设备,与其配套的张力控制系统、浸胶槽、多维度吐丝头、自转芯轴组成的湿法缠绕体系,不仅控制了生产成本,更决定了生产效率和生产质量,全球主要有美国Tankinetic和意大利的Sarplast垄断了大型缠绕机的关键技术。中国没有能力制造大型缠绕机。

国内主要还是35MPa,国外是70MPa,续航里程差近50%。碳纤维是主要成本,日本是碳纤维大出口国。

全复合材料轻质纤维缠绕储氢罐

中国主要是浙江大学在研究

2009年12月4日,浙江大学王新华研究员主持的2006年探索导向课题“70 MPa静态化学热压缩高压超纯氢压缩技术与装置”通过了国家科技部高技术中心组织专家的验收。2009年科技部又推出了863课题,研制70Mpa的车载气瓶,取得的主要成果有:

(1)安全状态远程在线监控的全多层大容积高压储氢容器将钢带错绕筒体技术与双层等厚度半球形封头和加强箍等结构相结合,创新性地提出了全多层高压容器结构,研制成功拥有自主知识产权的国际首台高于70MPa的钢带错绕全多层高压储氢容器,突破了高压氢气的经济、安全、规模储存的难题。

(2)集压缩、净化于一体的低能耗70MPa静态化学氢压缩机研发了在150℃下释氢平台压力达到80MPa的储氢合金,解决了高压下储氢合金粉末堆积预防和传热优化、氢容量匹配等关键技术,形成了高压超纯氢静态化学氢压缩技术,研制成功了国际首台70MPa静态化学氢压缩机,该压缩机同时具有显著提高氢气纯度的功能。

(3)轻质铝内胆纤维全缠绕高压储氢气瓶设计制造技术建立了纤维全缠绕高压储氢气瓶结构-材料-工艺一体化的自适应遗传优化设计方法,解决了超薄(0.5mm)铝内胆成型、高抗疲劳性能的缠绕线形匹配等关键技术,成功研制了70MPa纤维全缠绕高压储氢气瓶的单位质量储氢密度达5.78wt%,实现了纤维全缠绕高压储氢气瓶的轻量化。

(4)高压氢气快充温升仿真系统及其控制技术考虑材料比热容随温度的变化和气瓶内外壁之间的传热,构建了高预测精度的车载高压储氢容器快充温升数值仿真系统,准确预测了快充过程中气瓶内各处压力、温度的分布规律,给出了实用可靠的温升控制方法。 

但是关键的设备如缠绕机和复合材料制造是中国短板,距商业化遥遥无期。

丰田是全球唯二全复合材料储氢罐商业化的企业

丰田储氢罐

丰田Mirai的两个储氢罐容积分别是60L和62.4L。为了布置体积较大的前储氢罐,Mirai的后排座椅较高,并且只能乘坐2人。带来的优势是行李厢的空间会大一些。

丰田的价格比本田低43万日元,而配置高出本田不少。

丰田储氢罐所有工艺全内部完成

2018年2月,为了提升FCEV核心零部件的产能,丰田在位于日本爱知县丰田市的总公司工厂内新建厂房,用于增加氢燃料电池堆的产能。同时,在位于爱知县三好市的下山工厂内新建高压储氢罐专用生产线。

此次新增生产设施,除为了满足在2020年后通过丰富产品线带来FCEV销量增长所需的产能外,同时也将满足应用于自2017年2月在东京开始销售的氢燃料电池大巴、丰田自动织机与2016年开始销售的氢燃料电池叉车等所需的氢燃料电池堆、氢燃料电池单元及高压储氢罐所需的产能。

丰田计划在2020年前后将MIRAI、氢燃料电池大巴等氢燃料电池车的销量扩大至每年3万辆以上。

本田和奔驰储氢罐采用挪威Hexagon 技术

本田储氢罐

Clarity Fuel Cell的两个储氢罐容量分别是24L和117L。前储氢罐很小,以减少对乘员空间的影响,带来的好处是后排可以乘坐3人。

但是,Clarity Fuel Cell的后储氢罐过大,它位于后排座椅和行李厢之间,侵占了很多行李厢空间。

现代NEXO氢燃料电池车储氢罐

现代采用三储氢罐,自己开发的储氢罐技术,体积总共有156.6升。

通用军用氢燃料电池车采用挪威Hexagon 技术,可抵御子弹

奥迪采用挪威Hexagon技术

奔驰氢燃料电池车

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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