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国内外燃料电池汽车技术水平现状与 差距对比

发布日期: 2018-04-09
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总体来看,国外整车企业已在2015 年进入量产阶段;而在中国,燃料电池汽车还处于性能改进和小规模示范阶段。

 1 燃料电池轿车

  我国燃料电池轿车在动力性、续驶里程等基本性能指标方面与国外的车型基本相当,zui高车速基本都在150170 km/h 上下,百公里加速时间也基本在1015 s 左右。但由于国外开始采用70MPa 车载储氢系统,一次加注的续驶里程大大提高。从动力系统的基本配置来看,zui大的差别在于燃料电池发动机的功率输出能力与电机的转矩输出能力上。其中国外燃料电池发动机的功率输出能力基本在80100kW,比国内的55kW 高出很多,而且具有很高的质量比功率和体积比功率指标。同等功率输出能力的电机具有更高转矩输出能力,约比国内高5080Nm,比例达到25%40%

                    表1 国内外研究进展

 丰田现代通用日产奔驰上汽
车重1850kg2290kg1800kg1860kg1718kg1833kg
zui高车速175km/h160km/h160km/h150km/h170km/h150km/h
0~100km/h9.6s12.6s12s14s11.3s15s
加速时间
PCE 功率114kw100kw92kw90kw100kw40kw
PCE 体积/重37L/56kg60L130kg34L/43kg不详54L/74kg
 
PCE 低温启-30℃-30℃-30℃-30℃-25℃-20℃
动性能
PCE 铂用量20g40g30g40g20g不详
PCE 耐久性>5000h5500h5500h->5000h2000h
氢系统参数122.4L,5kg144L,5.6kg4.2kg   
电机参数113kw ,100kw ,94kw,90kw ,100kw ,90kw
335Nm300Nm320Nm280Nm290Nm300Nm
电池参数1.6kwh 镍氢24kw 锂离子1.8kwh,35kW不详9kwh11kWh
 电池电池镍氢电池   
续驶里程650km594km320km500km500km400km

 

 2 燃料电池客车

 我国燃料电池城市客车在加速时间、zui高车速等动力性指标方面与国外的车型基本相当,zui高车速80km/h 居多,050 km/h 加速时间在20s 左右。续驶里程适中,一般在250400 km 之间,氢耗指标有一定优势,储氢瓶的zui高压力均为35 MPa

       表 2 国内外研究进展

客车厂家美国Van Hool美国New Flyer德国戴姆勒奔驰日本丰田和日野宇通客车佛山飞驰
燃料电池功率120kw150kw2×60kw2×114kw30kw/60kw88kW
燃料电池厂家US FuelCellBallard HD6AFCCToyota亿华通上海重塑
动力电池的17.4kwh,锂离47kwh,锂离子26kwh,锂离子2×1.6kwh2 个轿车64.5kWh,锂50kWh,
容量或功率子(EnerDel)(Valence)(A123)用的镍氢电池模块离子 
电机功率或2×85kw2×85kw2×80kw2×110kw100kW90kW
转矩Slemens ELFASlemens ELFAWheel Hub2 个轿车电机  
氢气气瓶350bar,8 个350bar,8 个350bar,7 个350bar,8 个350bar,8 个350bar,8 个
氢气量40kg56kg35kg480 升,18kg8*150L,25kg25kg
耐久性18000h8000h12000h未公开未公开(4000h)10000h
续驶里程300 英里300 英里250km未公开600km400km
整车成本   未公开未公开300m RMB

 3 关键材料

 在燃料电池关键材料,如催化剂,质子交换膜、膜电极(membraneeletrode assembly MEA)等方面,中国与国外水平相比仍存在较大差距,造成中国与发达国家技术上这些差距的原因主要分析如下:

1)关键材料未实现国产化。上述关键材料如电催化剂、质子交换膜、炭纸大都采用进口材料,且多数为国外垄断,价格极高;尽管在“十一五规划”中国产替代材料如催化剂、膜、炭纸等取得了可喜成就,然而,由于尚未形成批量生产能力,或者产品质量不够稳定。

2)部件制备技术落后。由于缺少先进制备技术与设备,使得一些主要部件如双极板、MEA 等制造质量得不到保障,一致性较差。

3)系统耐久性与可靠性有待提高。国内对电堆耐久性的研究不足,对系统优化提升电堆性能与寿命缺乏深刻的认识,造成了辅助系统匹配与控制策略研究过程中思路简单,甚至盲目。

4 燃料电池附件系统对标

 在燃料电池附件系统方面,中国与国外先进水平相比差距很大,基本没有成熟产品。

                  表 3 国内外研究进展

 国外现状与水平中国现状与水平
压缩机21 世纪初,美国开始在政府支持下开发燃料电池广东广顺的一家企业在进行燃料
 专用压缩机。美国能源部支持了AD Little Inc.、电池专用离心式压缩机的开发,目
 Honeywell、VAIREX Corporation、Mechanology,前处于开发设计的初期阶段;而且
 LL 等企业;瑞典的OpconAutorotor AB 对多种没有将电机及其控制器进行集成
 压缩机进行比较开发。典型的是Honeywell 的离设计和优化的能力,可靠性和耐久
 心式性得不到保证。
 压缩机和Opcon 的双螺杆压缩机,二者已经达到 
 产品的要求,在多款燃料电池系统中进行了长时 
 间的运行。 
加湿器主流技术是Gas-to-Gas 加湿器。已有多厂家开尚无相应的零部件开发商开发此
 发出加湿器形成产品。能够满足备用电源到燃料类产品,基本上是采购国外的产
 电池公交车用的加湿需要。美国的Perma-Pure品。一些研究单位开展了基础研
 生产的管式加湿器、加拿大Dipont 生产的板式究;在如何小型化或取消增湿器方
 加湿器、德国Mann-Hummel 生产的板式和管式面,缺少系统优化的经验和能力。
 加湿器和德国Freudenberg FCCT 生产的管式加 
 湿器等;丰田等企业采用先进系统设计,取消了 
 加湿器,提高低温冷启动性能。 
氢循环装置美国Park 公司开发出氢气循环泵,可用于不同尚没有见过有厂家进行过类似产
 的燃料电池汽车,美国Argonne 国家实验室,开品的研发。一些研究单位开展了基
 发了氢气引射装置(E-jector)以及与氢循环泵混础研究。缺少大流量的氢气再循环
 合循环系统,各大汽车公司也开发相应的氢气循泵及其驱动电机。
 环。 
 装置,并用于燃料电池发动机。 
DC/DC丰田已经将DC/DC 与燃料电池直接集成在一尚没有专门从事针对燃料电池
 起,作为燃料电池系统的一个执行器,提高了系DC/DC 研发的厂家,针对燃料电
 统集成度。池的特殊控制和保护逻辑尚不清
  楚。

 

5 国内燃料电池汽车存在问题

 目前制约中国燃料电池汽车发展的瓶颈包括贵金属成本及中毒问题、燃料电池稳定性问题、氢供给难题等技术性制约因素。燃料电池耐久性问题。以车用燃料电池的基本要求为例,轿车用

燃料电池系统的运行寿命必须达到30005000h。国内相关企业氢燃料电池的稳定寿命还在3000 小时左右,而国外先进技术已经可以达到5000 小时以上。

 关键材料和核心零部件薄弱。我国燃料电池关键材料和部件基础比较薄弱,如燃料电池用电化剂、质子交换膜、炭纸等关键材料的开发多停留于实验室和样品阶段,空气压缩机和氢气回泵等关键部件没有产品供应,严重影响到我国车用燃料电池电堆技术的开发进程。

 氢气储存问题。我国使用的压力为35MPa 的碳纤维缠绕金属内胆气瓶(Ⅲ)的储氢密度为3.9%,通过提高压力到70MPa 可达到5%;而采用碳纤维缠绕塑料内胆气瓶()储氢密度可以进一步提高到5.5%。我国在IV 瓶方面尚没有技术,在70MPa 的Ⅲ瓶方面仅有研发成果,没有产品。另外,目前正在探讨和研发的另外一条路径是有机液态储氢值得重视,国内有一定的研究基础,但缺乏示范考核。

 我国燃料电池材料与关键部件技术基础与国外先进水平差距较大,耐久性、功率密度和低成本技术明显落后。燃料电池发动机等关键零部件方面,基本没有成熟产品,产业链配套体系很不完善;燃料电池发动机的耐久性方面,我国仅为几千小时,国外上已实现超过1万小时;轿车集成和控制的水平差距不大,但燃料电池发动机的功率密度明显低;燃料电池客车的混合动力系统

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