氢燃料汽车
以氢为主要能量作为移动的汽车
氢燃料汽车( fuel vehicles)是指以氢燃料作为动力源的交通工具,一般指氢燃料电池汽车和氢发动机汽车。其中,氢燃料电池汽车是通过燃料电池中的氧与氢反应来运行电动机,而氢发动机汽车则是通过氢发动机燃烧氢来提供驱动车辆的能量。由于氢是一种无次生污染、零碳且无污染的清洁能源,所以,氢燃料汽车具备无污染,零碳排放的特点,并被广泛应用于乘用车、重卡、物流车、大中型客车等领域。
氢燃料汽车的历史可追溯至20世纪60年代,随后研究氢燃料汽车获得飞速发展。1993年,加拿大Ballard公司就展示了世界上第一辆燃料电池公共汽车,并示范运行了2000千里;2002年,由通用汽车公司制造的第一辆氢燃料汽车——“自主魔力”氢动力概念车亮相底特律;2014年,丰田汽车日本推出世界首款量产氢燃料电池车型MIRAI;2022年7月25日,长安深蓝 SL03 氢燃料电池汽车上市,成为中国首款量产的氢燃料电池轿车。相较于氢燃料电池汽车,氢发动机汽车的历史要更晚,具体为:2000年,宝马旗下15辆氢发动机汽车诞生;之后氢发动机技术进入快速发展阶段;2007年,福特因为氢燃料V-10发动机的正式投产成为世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商;2009年,北京理工大学氢内燃机团队成功开发出中国第一辆氢内燃机轿车,并成功行驶超过1万公里;之后氢发动机汽车的研发逐渐获得人们的注意。
氢燃料汽车中的氢燃料电池汽车可根据燃料电池的类型可以分为磷酸燃料电池型、熔融碳酸根燃料电池型、固体氧化物燃料电池型和聚合物质子膜燃料电池型四类,根据车型又可以分为乘用车、客车、卡车等;氢燃料电池汽车主要由氢气储存罐、氢气供应系统、氢燃料电池系统等组成。氢燃料汽车中的氢发动机汽车的分类和构造则是与其它普通内燃机大体一样,主要区别就是发动机不同,且传统内燃机的大部分零件氢内燃机都可以通用。在未来,氢燃料汽车作为一种新型清洁能源汽车,成为了全球汽车产业的研究热点和发展方向。
发展简史
氢燃料电池汽车
1839年,英国人格瑞沃发明了一种将储存在氢、天然气、甲醇等燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的燃料电池,只要不断地供给燃料和氧化剂,就可以连续供电。
20世纪60年代初期,在中东战争引发全球石油危机后,美国为了摆脱对进口石油的依赖,首次提出“氢经济”概念,认为未来氢气能够取代石油成为支撑全球交通的主要能源。
1960年至2000年,作为氢能利用重要工具的燃料电池获得飞速发展,在航天航空、发电以及交通领域的应用实践充分证明了氢能作为二次能源的可行性。而且,在1990年,国际能源机构还制订了氢能和燃料电池研发和示范实施协议,之后世界主要国家(地区)均是开始重视氢能与燃料电池的研发部署。
在20世纪90年代初,美国就开始实施“新一代汽车计划”为代表的燃料电池汽车计划;1993年加拿大Ballard公司就展示了世界上第一辆燃料电池公共汽车,示范运行了2000千里;之后,日本马自达公司展示了燃料电池高尔夫球车;德国Dailmer-Benz公司展示了Mercedes MB180Van燃料电池汽车;1997年,加拿大巴拉德动力系统公司的16辆燃料电池公共汽车在北美投入试运行;1998年北美车展上,福特汽车公司推出了首辆燃料电池概念车一P2000FCV。
2002年,通用汽车公司“自主魔力”氢动力概念车首次亮相底特律国际车展;2006年,世界上第一款供日常使用、接近零排放的氢动力驱动宝马氢能7系豪华高性能轿车亮相柏林;2008年,北京奥运会投入运营氢燃料电池汽车;2010年,上海市世博会使用氢燃料电池观光车;2011年,上汽集团氢燃料电池车在世界氢燃料电池车的必比登挑战赛上获得“6A”好成绩;2014年,丰田汽车在日本推出世界首款量产氢燃料电池车型MIRAI;2018年,现代汽车集团推出其全球首款量产燃料电池SUV车型 NEXO;2022年北京冬季奥运会冬季残疾人奥林匹克运动会期间,中国首次在大型活动上大规模应用丰田氢燃料电池汽车FCEV车型,这也是全球最大规模的一次燃料电池汽车示范应用;2022年7月25日,长安深蓝 SL03 氢燃料电池汽车上市,成为中国首款量产的氢燃料电池轿车。
氢发动机汽车
进入20世纪之后,科学家对氢发动机的研究陆续展开。早在1970年,日本武藏大学就已经对缸内直喷的氢燃料内燃机展开了研究;1972年美国洛斯阿拉莫斯实验室将一台增压六缸四冲程车的发动机改造成液氢发动机,添加一次液氢后行驶里程超过250km;1978年宝马公司研发氢发动机汽车,在其BMW 735i 型号轿车上进行试验研究,该车搭载以氢气为燃料的3.5L六缸火花点火发动机,续航里程290km以上。2000年,宝马采用了燃油、氢气切换利用的技术路线生产了15辆氢燃料发动机汽车,但直到2021年研发进度仍止步于这15辆汽车中。
在2003~2007年间,美国的氢发动机技术得到快速发展,年平均专利数50件,并从2010年起,年均专利数均突破100件;中国在2004年前在氢发动机技 术专利申请数极少,在2005~2007年间,中国在发动机燃氢技术方面的研究得到飞速发展,专利数量迅速增加,在之后一直呈现良好的发展趋势,并于2010年专利数达到50件。
2007年福特氢燃料V-10发动机正式投产,福特汽车公司成为世界首个正式生产氢燃料发动机的汽车制造商;2007年,中国首台由企业制造的高效、低排放氢发动机在重庆长安汽车集团成功点火;2008年,清华大学刘海权等人利用一台增压天然气发动机改造的成氢发动机对其不同运行工况下的燃烧特点进行了总结发现;2008年,刘福勇教授等人将一台汽油机成功改造成气道喷射式氢发动机;2009年,北京理工大学氢内燃机团队成功开发出中国第一辆氢内燃机轿车,并成功行驶超过1万公里;2013年,孙百刚教授等人研发了氢发动机的循环变动特性;2018年4月,英国利物浦企业ULEMCo和Innovate UK合作,成功改装沃尔沃FH16卡车为氢内燃机卡车,使卡车的实际续航里程达到了约180英里且零排放;2021年4月中国一汽首台氢发动机点火仪式在北京理工大学举行;2021年9月5日,广汽集团自主研发的首款氢气发动机点火成功;2021年12月21日,玉柴集团在北京理工大学正式发布中国首台商用车燃氢发动机YCK05,并成功点火运行;2022年2月,康明斯发动机与Werner共同宣布,将启动康明斯15升氢内燃机运营验证。
工作原理
氢燃料汽车的基本工作原理均是将氢的化学能转换为机械能,只不过氢发动机汽车是通过燃烧内燃机中的氢来产生热能,然后将化学能转换为机械能;而氢燃料电池汽车则是通过燃料电池中的氧与氢反应来为汽车不断提供电能。下面是两类氢燃料汽车的具体工作原理:
氢燃料电池汽车
氢燃料电池汽车的工作原理是将氢气送到燃料电池的阳极板(负极)经过催化剂(铂)的作用,氢原子中的一个电子被分离出来,失去电子的氢离子(质子)穿过质子交换膜,到达燃料电池阴极板(正极),而电子是不能通过质子交换膜的,这些电子只能经外部电路到达燃料电池阴极板,从而在外电路中产生电流。电子到达阴极板后,与氧原子和氢离子重新结合为水。由于供应阴极板的氧可以从空气中获得,因此只要不断地给阳极板供应氢给阴极板供应空气,并及时把水蒸汽带走就可以不断地提供电能。燃料电池发出的电,经逆变器、控制器等装置,给电动机供电,再经传动系统、驱动桥等带动车轮转动,就可使车辆在路上行驶。
氢发动机汽车
氢发动机汽车是把氢气作为发动机的燃料,其燃烧产生的产物是水。氢发动机多以预混燃烧方式为主,即通过布置在进气总管或进气歧管上的喷射器将低温氢气喷射入缸内,后经火花塞点燃缸内预先混合好的氢气和空气,其结构与工作原理和传统的汽油机基本相同,同样是将化学能转化为机械能,只是燃料变成了氢气而非化石燃料。氢的自燃点较高,其温度高于汽油、液化石油气以及醇类等燃料,这有利于压缩比的提高,进而促进氢内燃机热效率的提高;同时这一特性也决定了氢内燃机很难像柴油机那样采用压燃式点火,而适宜于火花塞点火。
基本构造
氢燃料电池汽车
氢燃料电池汽车的主要组成部分包括氢气储存罐、氢气供应系统、氢燃料电池系统等。
氢气储存罐
氢气储存罐用于存储氢气。车用储氢瓶的类型主要以铝内胆纤维缠绕(三型)和塑料内胆纤维缠绕(四型)为主。
氢气储存罐最早为纯金属储氢罐;后来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,即塑料内胆型储存罐;并朝着轻量化、高压力、大容量的方向发展,以无内胆纤维缠绕类型(五型)作为下一代储氢瓶的研发重点。
氢气供应系统
氢气供应系统负责将氢气输送到氢燃料电池系统中。氢气供应系统由瓶口阀、过流阀、过滤器、减压阀、泄压阀、截止阀、气水分离器、氢气循环泵及管路和接头组成,根据系统需求不同还配有单向阀、阻火器和喷射器等。
氢燃料电池系统
氢燃料电池系统将氢气氧气通过电化学反应转化为电能,电能再驱动电动机运行,控制系统则对整个系统进行控制和监测。
氢发动机汽车
氢发动机汽车的构造、外观、声音、工作方式与普通内燃机汽车基本一致,与普通内燃机汽车的主要区别就是发动机不同,且传统内燃机的大部分零件氢内燃机都可以通用。
氢发动机
相较于传统内燃机汽车的一般发动机使用的燃料是柴油或汽油,氢发动机汽车的氢发动机使用的燃料是气体氢,排放出的是纯净水,其具有无污染、零排放、储量丰富等优势。其氢内燃机保留了传统内燃机的主要结构和系统,传统内燃机的大部分零件氢内燃机都可以通用,包括缸体、曲柄、气缸盖、点火系统、安装部件等。只要把原本的燃油系统替换掉,通过合理的燃烧匹配变换后,处理器传统的汽油机或者柴油机就改制成为氢内燃机。
传统内燃机的结构、工作原理和性能:往复活塞式内燃机的组成部分主要有曲柄连杆机构、机体和气缸盖、配气机构、供油系统、润滑系统、冷却系统、起动装置等。气缸是一个圆筒形金属机件。密封的气缸是实现工作循环、产生动力的源地。活塞组由活塞、活塞环、活塞销等组成。曲轴的作用是将活塞的往复运动转换为旋转运动,并将膨胀行程所作的功,通过安装在曲轴后端上的飞轮传递出去。
内燃机的工作循环由进气、压缩、燃烧和膨胀、排气等过程组成。这些过程中只有膨胀过程是对外作功的过程,其他过程都是为更好地实现作功过程而需要的过程。按实现一个工作循环的行程数,工作循环可分为四冲程和二冲程两类。四冲程是指在进气、压缩、膨胀和排气四个行程内完成一个工作循环,此间曲轴旋转两圈。二冲程是指在两个行程内完成一个工作循环,此期间曲轴旋转一圈。
内燃机的性能主要包括动力性能和经济性能。动力性能是指内燃机发出的功率(扭矩),表示内燃机在能量转换中量的大小,标志动力性能的参数有扭矩和功率等。经济性能是指发出一定功率时燃料消耗的多少,表示能量转换中质的优劣,标志经济性能的参数有热效率和燃料消耗率
关键技术
氢燃料电池汽车
氢燃料电池技术
氢燃料电池技术原理:氢燃料电池作为一种新的绿色能源技术,通过电化学反应直接转化为电能,转化过程不受卡诺循环限制。其单体结构主要由阳极、阴极、质子交换膜和双极板组成,其中阳极为氢电极,阴极为氧电极,两电极间是电解质。其中燃料是指氢气,反应物质(氢气、氧气)在电化学反应过程中不断地被消耗从而产生电能。
氢燃料电池主要有四类:磷酸燃料电池(PAFC)、熔融碳酸根燃料电池(MCFC)、固体氧化物燃料电池(SOFC)和聚合物质子膜燃料电池(PEMFC)。
其中,质子交换膜燃料电池(PEMFC)易于实现小型化,并且能量转换效率高、低温启动性能好、可输出电流大、工作噪音小,因此最适合汽车搭载。
整车控制技术
氢燃料电池汽车需安装整车控制器(VehicleControl UNI-T,VCU),以协调车辆各个分系统的正常工作。VCU是氢燃料电池汽车的核心控制部件,相当于整车的智能管家,其控制原理为:采集车辆各个控制器信号,对信号作出分析和判断,接着通过 CAN 总线把这些指令发送给相应的电器模块,最后各个控制器根据接到的指令执行相应的动作。VCU具体包括以太网、CANFD、多核芯片、双核心、OTA等关键技术,是支撑汽车实现电动化、智能化、网联化和共享化不可或缺的技术。
氢发动机汽车
氢发动机
氢气发动机的原理与燃油内燃机相同,是一种通过燃烧释放反应气体的化学能,通过气体膨胀做功的动力设备。氢发动机有2个主要的技术方向:纯氢发动机与掺氢发动机。纯氢发动机,虽然可以通过延迟点火正时来效缓解与控制回火等不正常燃烧现象,但是由于纯氢发动机对储氢技术有着很高的要求,在氢气加油站较少的阶段,纯氢发动机难以得到推广。掺氢发动机,由于主要是将氢气与其它燃料掺混使用,氢气消耗量减少导致储氢难度降低,并且可以通过改变氢气比例来解决与改善各种问题,因此相对于纯氢发动机来说更为实用,主要有天然气掺氢,汽油掺氢,醇类掺氢,天然气掺氢。
氢气的制备、存储技术
因为电厂配备水电解制氢设施能够消纳垃圾电,所以氢气的制备选择电解水制氢法。氢气的储存方式有四种:高压气态储存、低温液态储存、固态吸氢材料储存和有机液态储氢。
其中,固态吸氢材料储氢在氢燃料汽车方面主要使用的是利用储氢合金(金属氢化物)来储存氢气。储氢合金是一类能在一定条件下吸释氢的功能材料,与液态和气态贮氢法相比,储氢合金贮氢密度大,对于解决氢的贮存和输运问题。储氢合金的储氢性能一般由其PCI(压强Composition-Isothermal)曲线和吸/放氢动力学曲线来表征。前者反映了合金储氢的温度、压力条件和储氢量。后者反映储氢的速率。贮氢合金主要有四类:稀土系(AB5型)、Ti-Fe系、Laves相系(AB2型)和Mg系。
加氢站的配套设施技术
要实现氢能源汽车的产业化发展或者大规模应用,就必须完善加氢站等配套设施的建设。加氢站的氢气来源有两种:站外购入和站内自制。前一种结构配置相对简单,建造成本较低,建造周期也较短,适建地区广泛。后一种目前普遍采用天然气或甲醇重整制氢,占地面积大,技术较复杂,短期内能满足较大的加氢需求,但长期来看不利于环保;也可采用电解水站内制氢,此类加氢站更适合与风电站或者太阳能电站形成配套来生产氢气。
站外购入获取氢气的方式需要借助交通工具将氢气从制氢厂运输到加氢站。若采用气态氢拖车运输,为了运输过程中的安全,管状容器的储氢压力不得高于20Mpa,所以还需经过站内的氢气压缩机增压至35Mpa以上才能达到加注标准。若采用液氢罐车运输,输送至加氢站储罐内的液态氢还需经蒸发器汽化,再经压缩机增压后才能为氢能源汽车加注。
主要分类
氢燃料汽车主要可分为氢发动机汽车和氢燃料电池汽车。其中,氢发动机汽车的分类与普通内燃机基本一致。而氢燃料电池汽车根据燃料电池的类型可以分为磷酸燃料电池型、熔融碳酸根燃料电池型、固体氧化物燃料电池型和聚合物质子膜燃料电池型四类;根据车型又可以分为乘用车、客车、卡车等。
车型分类
由于氢燃料电池乘用车发展较慢,不单独细分应用场景。客车主要分为3个应用场景,城市公交、长途客运、短途客运。3种应用场景以10.5米城市公交车、11米客车、8.5米客车为主。卡车的应用场景非常多,按吨位主要分3个应用场景,分别为轻卡物流运输,重卡货运、中卡环卫,分别对应的车型为4.5吨厢式物流车、49吨牵引车(整备质量加准拖挂车总质量为49t)、18吨洗扫车。
具体车型
配套设施
加氢站
加氢站是给燃料电池汽车提供氢气的燃气站。最早的氢气加注站可以追溯到1980年代位于美国Los Alamos的加氢站。加氢站按照供氢方式可以分为两大类,一类是外供氢加氢站,另外一类是站内制氢供氢加氢站。外供氢加氢站采用氢气长管拖车运输、管道输送后供氢。站内制氢供氢加氢站则自备制氢系统,将制得的氢气经纯化、压缩后进行存储、加注。按照氢气的状态可以分为气态储氢加氢站(气氢加氢站)和液氢加氢站,国际上约1/3的加氢站为液氢加氢站。
大兴国际氢能产业园加氢站位于大兴区国际氢能示范区西南角,是全球最大的加氢站,占地面积7000余平方米,共有8台加氢机、16把加氢枪,日加氢量可达4.8吨,可满足500辆~600辆用氢车辆的加氢需求。
截止2022年5月,中国已累计建成加氢站超过250座,约占全球数量的40%,居世界第一。截至2023年6月,全球共有超过1100个加氢站对外运营(2022年加氢站数量首次突破1000)。
应用领域
交通
2015年3月19日,中车青岛四方机车车辆股份有限公司研制的世界首列氢燃料电池有轨电车下线。该车采用模块化设计,有效结合氢燃料电池与现代有轨电车的优点,不仅解决了常规有轨电车需架设接触网以及普通储能式有轨电车续航里程短的问题,而且不影响城市景观,无需沿途设置充电站,节约了整体投资成本。
2022北京冬奥会示范运行超1000辆氢能源汽车,车型包括氢燃料电池大巴、氢燃料电池小轿车、氢燃料电池特种车等,并配备30余个加氢站,是全球最大规模的一次燃料电池汽车示范应用。氢能源汽车的耐低温、续航能力长、充电时间短、减排效果明显等优点在北京冬奥得到充分体现。
2023年7月13日,埃德蒙顿机场与丰田加拿大公司联手,在加拿大阿尔伯塔省的道路上投放100辆丰田Mira氢燃料电池汽车,旨在帮助机场实现到2040年实现净零排放的目标,同时也是为了推动艾伯塔省的氢能源生态系统的发展。
物流运输
嘉兴市嘉兴港首批投运的氢能重卡,在替代原来的柴油重卡后,运行的成本比柴油车低10%左右。
2022年,福田智蓝向北京顺亿达运力科技集团有限公司交付了100辆氢燃料电池冷藏车,并投入运营。对助力“双碳”目标的实现,深入推进能源生产和消费革命,构建清洁低碳、安全、高效的能源体系具有重要意义;且氢燃料电池车采用电机驱动,在驾驶中无需频繁换挡,降低司机的驾驶强度的同时,也间接提高了运营过程中的安全性;此外,氢燃料电池车的噪音相比传统燃油车也大幅降低,大大缓解配送过程中的噪音扰民问题。
2023年1月17日,别克商用车公司1月16日宣布与英国超市森宝利成功完成为期三个月的19吨氢动力冷藏卡车试验。该冷藏卡车通过Element 2为车辆提供的加注,一次加注氢气后,其每天的运行里程约为320英里。实现了常规运输路线的零碳排放。
发展趋势
氢燃料电池汽车
随着全球对环境保护的重视和对新能源汽车的需求增加,氢燃料电池汽车作为一种新型清洁能源汽车,成为了全球汽车产业的研究热点和发展方向。
主要发展方向
提升相关技术水平
一是指氢燃料电池系统的性能提升,主要指向膜电极组件和双极板:将聚合物进行改性,以便代替现今价格高昂的全氟磺酸膜;降低催化剂中Pt的含量,提高利用率;用金属和石墨矿复合制成的复合双极板以替代脆性大的石墨双极板。二是指氢气储存技术的创新。三是指氢燃料电池汽车的系统集成优化,从而,提高整车的性能和可靠性。
加快氢燃料基础设施建设
通过优先发展氢燃料电池客车或公交车,并采用适当的手段将加油站改造成加氢站或现有加油站加装储氢装置等方式,加大对氢燃料基础设施建设的支持力度,推动建设氢气站、氢气管道等基础设施,为氢燃料电池汽车的推广和应用提供保障。
形成氢燃料产业链
通过建设氢燃料电池汽车产业园区,兼顾整条产业链的上中下游(上游包括氢气的制备和储运技术,中游包括加氢站等配套设施的建设,下游包括氢燃料电池技术的研发),建立完整的产业链条,形成完整的产业生态系统,为企业提供生产、研发、测试等多种服务和支持,提高产业的整体效益和竞争力。
面临的挑战
成本高
虽然自1990年以来氢燃料汽车的燃料电池制造成本已降低了95%,但仍是内燃机的5倍。而且作为主力的质子交换膜燃料电池需要用贵金属铂做催化剂,而铂又容易失效。而且,氢燃料电池所使用的催化剂和零部件成本较高,氢气的制取和储运成本相对较高。此外,与传统汽车的技术成本相比,氢动力汽车的技术成本要高出20%。
基础设施不足
以中国为例,虽然中国加氢站数量位居全球第一,但加油站数量也已突破12万座,从数量上来看,加氢站只有加油站数量的千分之三,目前还不能为氢燃料电池汽车的普及提供充分支持。
氢发动机汽车
主要发展方向
提升氢发动机的相关技术水平:一是改进燃料喷射系统,采取缸内高压直喷技术,探讨高压喷射系统, 进气系统与燃烧室之间的优化匹配,实现氢和空气的高效混合;二是加大对先进电控系统的研究,实现氢发动机工作过程的优化;三是发展氢发动机先进的优化控制技术,不断提高氢发动机的功率和热效率,降低NOx的排放。
面临的挑战
氢发动机汽车的技术难点主要表现氢气发动机的早燃、爆燃和回火三个方面。此外,与氢燃料电池电动汽车一样,限制其规模化、产业化发展的主要瓶颈同样是氢的制取、储存及携带成本过高、基础设施建设投资过大的问题。且氢燃料内燃机仍处于初期的实验室研发状态,是否应该大力推广发展、氢燃料内燃机的技术可行性、成本、经济性、配套设施建设等问题需要进一步评估。
相关标准
1990年,国际能源机构制订氢能和燃料电池研发和示范实施协议。其目的是为了整合全球氢能技术资源,推动和实现制氢、储氢、能量转换、氢能安全、集成系统和基础设施的技术进步,实现具有全球经济竞争力的氢能系统,以提高能效,保证能源安全,保护环境。
2003年,由美国、法国、德国、日本、中国等15个国家和欧盟发起成立“氢经济国际关系伙伴计划(IPHE)”,旨在建立一种国际合作机制,推动氢能技术研发和规范化使用。次年,德国政府出台《国家可持续发展战略报告》(Die Deutsche Nachhaltigkeitsstrategie),制定了“燃料战略-替代燃料和创新驱动方式”,明确提出“燃料战略”的四项举措:优化传统发动机、合成可再生燃料、开发混合动力技术和发展燃料电池。
2005年,欧盟和美国联合启动“eMobility”联合工作计划,旨在加强欧美在电动汽车标准制定上的协调和兼容。
2008年11月初,欧盟、欧洲工业委员会和欧洲研究社团联合制订2020年氢能与燃料电池发展计划,将在燃料电池和氢能研究、技术开发及验证方面投资10亿欧元,以实现氢能在燃料电池利用上 的技术突破。次年11月,美国与中国联合发表“中美电动汽车倡议”,共同推进电动汽车的标准化、验证实验及技术蓝图规划,2010年8月中美双方对其进行系统研讨,2011年8月中国科技部与美国能源部共同举办第四届美中电动汽车与电池技术研讨会,就电池技术发展规划、标准及联合行动计划进行研讨与磋商。
2017年4月,中国工信部联合国家发展改革委、科技部印发了《汽车产业中长期发展规划》,明确指出“着力推进先进燃油汽车、混合动力汽车和替代燃料汽车的研发工作”。
2020年11月,中国国务院办公厅印发《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》,提出,到2035年,新能源汽车新车销售量达到汽车新车销售总量的20%左右,燃料电池汽车要实现商业化应用。
2021年1月,美国能源部(DOE)发布了《氢能计划发展规划》。该方案更新了DOE早在2002年发布的《国家氢能路线图》以及2004年启动的“氢能计划”提出的战略规划,综合考虑了DOE多个办公室先后发布的氢能相关计划文件,明确了氢能发展的核心技术领域、需求和挑战以及研发重点,并提出了氢能计划的主要技术经济指标;2月,罗马尼亚宣布制定氢电国家战略,意味着罗马尼亚将逐步放弃煤炭能源生产;4月,中国国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布《燃料电池电动汽车加氢口》标准,增加了燃料电池电动汽车的耐臭氧老化性测试、耐盐雾腐蚀性测试、耐温度循环性测试、兼容性测试、70MPa加氢口尺寸、、加氢口防冻设计的资料性附录,修改了35MPa加氢口的加工要求,删除了消除静电设计、材料的氢脆要求、检验规则章节和25MPa加氢口的尺寸设计等项;同月,中国工信部发布了《关于实施四项新能源汽车国家标准的通知》,通知指出,将新发布的GB/T 18386.1-2021《电动汽车能量消耗量和续驶里程试验方法第1部分:轻型汽车》、GB/T 19753-2021《轻型混合动力电动汽车能量消耗量试验方法》、GB/T 26779-2021《燃料电池电动汽车加氢口》、GB/T 32694-2021《插电式混合动力电动乘用车技术条件》四项标准列为新能源汽车产品准入专项检验项目的依据标准,与《新能源汽车生产企业及产品准入管理规定》(工信部令第39号)中新能源汽车产品专项检验项目依据标准并行实施;7月,中国住房和城乡建设部关于发布国家标准《汽车加油加气加氢站技术标准》的公告,其中,第4.0.4、4.0.5、4.0.6、4.0.7、4.0.8、5.0.5、5.0.10、5.0.11、5.0.13、5.0.14、6.1.1、6.2.1、6.3.1、6.3.6、6.3.14、7.1.2(1)、7.1.4(1)、7.1.5、7.2.4、7.3.1、7.3.5、7.4.11、7.5.1、8.1.22(1、7)、8.2.2、8.3.1、9.1.8、9.3.1、10.5.1、10.5.2(9)、10.6.5(4)、11.3.4(1、4)、12.1.1、12.2.1、13.1.6、13.2.1、13.2.4、13.4.1、13.5.1、14.2.5、15.8.5条(款)为强制性条文,必须严格执行;10月,美国推出支持氢技术的一揽子计划,旨在支持能源密集型行业采用氢,并在氢价值链的多个阶段提供关键支持,希望解决高价值、最终用途的应用,以及运输、储存和输送氢所需的基础设施建设;12月,韩国首次发布氢经济发展计划,计划表示截至2050年,韩国将在全国建立2000座加氢站,这意味着韩国在2050年时氢能将成为超越石油的最大能源。
2022年10月,中国国家市场监督管理总局、国家标准化管理委员会正式批准发布了GB/T 31138-2022《加氢机》国家标准,规定了加氢机的技术要求、试验方法、标志、包装、运输和贮存、安装、维护的要求,为加氢机的设计、生产、制造、检验、安装与维护提供标准依据,将进一步规范和提升加氢机产品质量,助力氢能产业高质量发展。同年12月,中国工信部发布了《燃料电池汽车测试规范》规定了燃料电池发动机常温启动特性低温冷启动特性稳态特性、动态响应特性、动态平均效率、高温运行试验、气密性测试、绝缘电阻测试、质量及功率密度测试等试验方式。
2023年6月,中国《车用高压储氢气瓶组合阀门》国家标准正式发布。该标准规定了组合阀门的基本型式、技术要求、试验方法与合格指标、检验规则、标志、包装、运输、贮存等要求。适用于公称工作压力不大于70MPa、工作温度为-40C~85C、安装在道路车辆上作为燃料箱的车用高压储氢气瓶用组合阀门。
市场情况
中国
2022年3月,国家发展改革委、国家能源局联合印发了《氢能产业发展中长期规划(2021-2035年)》,明确充分发挥氢能清洁低碳特点,推动交通、工业等用能终端和高耗能、高排放行业绿色低碳转型。与此同时,正在推行的燃料电池示范应用补贴政策以及各地方的氢能产业政策规划也在不断完善。
据不完全统计,截止2021年国内已经有21个省级、69个市级出台了相应的氢能规划,省级规划中,到2025年氢燃料电池汽车合计推广11.1万辆,加氢站超过1000座。2022年春节后多地加码布局氢能赛道,一批项目加速启动。例如,江苏常州市提出,要领跑氢能产业发展,聚焦氢能源“制储运用”环节,精心打造“常州氢湾”,8个氢能产业项目率先签约。上海明确在公交、客运、重型货运、环卫等领域开展氢燃料电池汽车商业性示范应用,到2025年,建成并投入使用各类加氢站超过70座,燃料电池汽车应用总量突破10000辆。随着国内技术进步以及规模化效应的叠加,燃料电池商用车2025年成本有望较目前下降30%。随着成本的降低和经济性的恢复,预计2023年氢燃料电池车可实现8000-10000辆的产销量,以此估算合理新增的加氢站应该在85-100座。展望“十四五”,国内氢燃料电池汽车有望完成从产业导入期到量产的阶段,预计2025年全国保有量有望达到8万辆。中国汽车工程学会编制的《节能与新能源汽车技术路线图2.0》预测,到2035年氢燃料电池车保有量将达到100万辆左右,未来发展空间巨大。
国际
随着世界各国先后发表“2050年碳中和”目标,全球车企纷纷加快向氢能汽车市场迈出的步伐。据推测,2030年,全球氢能汽车市场有望快速增至2千万辆。
雷诺集团表示,以占据欧洲中小型商用车30%以上的市场份额为目标,计划与世界最大的氢能电池生产企业PLUG合作,在法国成立公司,建设氢燃料电池系统和最尖端的氢能汽车生产线。从2021年起生产5-6吨重量的运输用氢能汽车,10年内将年生产规模提高到数万辆。2021年初,韩国SK集团投资1.6万亿韩元(约合15亿美元),收购了PLUG9.9%的股份。
日本丰田2020年12月收购了葡萄牙客车制造企业卡埃塔诺客车公司的股份,开始抢占欧洲氢能客车市场,并计划在欧洲设立统管全球氢能电池业务的新公司——“Pure Cell商务集团”,负责销售氢能汽车和与各国政府、机构合作。丰田汽车还通过子公司,与美国商用车企业肯沃斯达成合作协议,开发氢能卡车,进军北美市场,并于2020年12月推出了新型氢能汽车,产量比现有车型提高了10倍。
奔驰的母公司德国梅赛德斯-奔驰集团于2020年6月与沃尔沃合作成立了合作公司,于2023年推出首辆氢能卡车概念车“GenH2”。
通用汽车汽车(GM)2020年9月收购了Nicolas11%的股份,并达成向Nicolas提供燃料电池技术的协议。
现代汽车集团计划2030年前,分别向欧洲、美国、中国出口2.5万辆、1.2万辆、2.7万辆“Exiant氢能卡车”。2021年7月,由其开发的氢能卡车将与CJ物流、Coupang、现代Glovis合作,投入物流运输。并计划推出新的氢燃料电池品牌“HTWO”,扩大氢燃料电池系统工程,在2030年销售70万个氢燃料电池。
部分制造商
丰田
早在1992年,丰田就启动了对氢燃料电池车的研发。2014年,丰田汽车日本推出世界首款量产氢燃料电池车型MIRAI;2020年在日本又推出了第二代MIRAI,新车将氢气搭载量提升约20%,并实现了WLTC工况最高续航里程约850km,较上一代车型提升约30%;于2015年1月无偿提供5680项燃料电池相关专利的使用权;自2019年起在中国全面开启氢燃料电池技术和产品的推广和普及;2021年,丰田携手中国合作伙伴联合开发及生产的首款商用氢燃料电池系统产品TL Power 100;2022年北京冬季奥运会冬季残疾人奥林匹克运动会期间,丰田汽车提供了247辆氢燃料电池车,这是中国首次氢燃料电池车车型在大型活动上的大规模应用。
宝马
1979年,宝马集团推出了首款以氢为动力的研究车辆BMW 520h;1997年,首次研发出自己的燃料电池;2006年,世界上第一款供日常使用、接近零排放的氢动力驱动宝马氢能7系豪华高性能轿车亮相柏林;2013年,开始测试宝马集团第一辆燃料电池电动汽车;2022年3月份,宝马iX5 氢燃料电池汽车在位于瑞典阿尔耶普卢格的宝马集团冬季测试中心接受了严苛的极寒耐力测试;2022年,宝马集团计划将基于BMW X5车型对氢燃料电池动力系统实验性地进行小规模量产。
参考资料
【十万个为什么】氢燃料电池车你了解多少?.上海科协微信公众平台.2024-04-18
氢能,现代能源体系新密码.国家能源局.2024-01-13
氢内燃机探索悄然兴起.国际氢能网.2024-01-24
储氢合金.华南理工大学.2024-01-13
实地探访全球最大加氢站!就在大兴!.北京市大兴区人民政府.2024-01-13
关于实施四项新能源汽车国家标准的通知.中国汽车工业协会.2024-01-19
标准号:GB/T 24554-2022.国家标准全文公开系统.2024-01-19
全球整车企业激烈争夺氢能汽车市场主导权.中华人民共和国商务部.2024-04-18
目录
概述
发展简史
氢燃料电池汽车
氢发动机汽车
工作原理
氢燃料电池汽车
氢发动机汽车
基本构造
氢燃料电池汽车
氢气储存罐
氢气供应系统
氢燃料电池系统
氢发动机汽车
氢发动机
关键技术
氢燃料电池汽车
氢燃料电池技术
整车控制技术
氢发动机汽车
氢发动机
氢气的制备、存储技术
加氢站的配套设施技术
主要分类
车型分类
具体车型
配套设施
加氢站
应用领域
交通
物流运输
发展趋势
氢燃料电池汽车
主要发展方向
面临的挑战
氢发动机汽车
主要发展方向
面临的挑战
相关标准
市场情况
中国
国际
部分制造商
丰田
宝马
参考资料