2015年氢能与燃料电池展:推出以普及为目标的量产型FCV

政府的普及扶持政策;丰田Mirai、本田FCV概念车配套的技术

2015/04/09

概 要

FC EXPO2015 FC EXPO2015

  2015年氢能与燃料电池展(由Read Exhibitions Japan Ltd.主办)于2015/2/25~27在东京展示场 (Big Sight) 举办。展示会场与研讨会均盛况空前,展现了对燃料电池的高度关注。本报告根据日本经济产业省、整车厂、氢气供应商的专业研讨会的演讲内容,介绍燃料电池车的结构、最新技术以及实际应用方面的问题等。

  经济产业省为了加快燃料电池车的投放,推进基础设施的完善,2014年6月制定氢能与燃料电池战略规划,实施氢气站相关法规的修订等,降低门槛。该规划提出目标,到2015年度建设100个氢气站。

  根据该规划,JX日矿日石能源及岩谷产业开始建设氢气站。开始以1,000~1,100日元/kg的价格销售氢气,该价格相当于同级别混合动力车行驶同等距离所需的燃油费。经济产业省规划中提出,为了推进燃料电池车的普及,到2020年实现的价格目标已提前实现。

  2014年12月,丰田全球率先发售燃料电池车Mirai。上市1个月就获得1,500台订单,超过预期,计划2016年起将年产能提高至3,000台。本田也将在2015年度发售燃料电池车。本报告将结合燃料电池车的基本原理,介绍2家整车厂的燃料电池车的结构与技术。

相关报告

燃料电池车:丰田发售MIRAI,计划2020年以后年销售数万台(2014年12月)
2014年氢能与燃料电池展及2015年普及型FCV的发售计划 (2014年3月)



走向经济产业省推进的氢能社会

戸邉千広氏  专业技术研讨会由日本经济产业省资源能源厅的节能及新能源部燃料电池推进室室长戸边千广关于氢能及燃料电池战略政策相关的主题演讲拉开序幕。2014年春季,经济产业省制定了实现“氢能社会”的规划。该规划提出了中长期目标,2020年至2030年前后,将普及和扩大氢能的使用、确立氢供应系统,并到2040年前后确立不产生CO2的氢供应系统。

 

水素・燃料電池戦略ロードマップ概要

资料:日本经济产业省

  具体来说,将分以下3个阶段,逐步实现氢能社会。将推进氢能的生产、储存及运输技术的开发等,实现氢能的稳定供应,并完善基础设施,为投放燃料电池汽车作准备。

  首先,第一阶段将向市场投放燃料电池,2020年至2020年代中期实现可普及的车辆价格和氢气价格。

  第二阶段,到2030年前后,确立大规模的氢供应系统。

  第三阶段,到2040年前后,确立整体不产生CO2的氢供应系统。

 

水素社会の実現に向けた対応の方向性

资料:日本经济产业省

 

燃料电池车的普及和扩大 (计划到2025年前后,以相当于同级别混合动力车的价格形成竞争优势)

支持燃料电池汽车 的投放   为了开拓初期需求,提供202万日元的补贴,促进形成燃料电池车的量产效果。
燃料电池等的 技术开发   为了降低FCV的成本、提高可靠度,将补贴研发费,促进燃料电池相关基础技术的开发、氢气瓶相关技术的开发等。
完善法规,便于投放 国外市场   推进全球统一标准、国内法规的协调及相互认可。

 

氢气站的完善 (计划到2020年前后,实现不高于混合动力车燃油费的氢气价格)

  到2015年度,将以4大城市圏为中心,建设100座左右的氢气站,2013年度起已启动初期建设。政府也提供支持,截至2015年2月,已有45个氢气站将获得补贴,正建设中。

补贴氢气站 的建设 ・向市场投放FCV以前,对部分氢气站的建设提供相当于一半费用的补贴。
开发低价氢气站等 ・确立适用于普及FCV的规格。 ・开发降低压缩机、储存机等构成设备成本的技术。 ・充分利用小型氢气站及移动式氢气站。

 

氢气站相关法规的修订

  高压气体保安法将参考欧美的相关法规,修订压力容器的设计标准以及可使用钢材的制约等。根据《法规改革实施计划》(2013.6日本内阁会议决定),开始修订25项相关法规。

高压气体保安法 (日本经济产业省) ・扩大可用于管路等的钢材种类。 ・放宽配管等的设计系数范围 (实现喷嘴的轻量化)。 ・完善供应液态氢的氢气站标准等。
消防法 (日本总务省) ・修订法规,实现汽油站与氢气站的混合。
建筑标准法 (日本国土交通省) ・为了确保市区充足的氢供应量,取消保有量的上限。

 

水素ステーションに関する規制の見直し

资料:日本经济产业省

 

  作为今后有待解决的问题,为了实现氢气站自助充气、在氢气站使用可削减高成本碳纤维用量的复合压力容器,将进一步修订高压气体保安标准

 

能源供应商的氢气站建设情况及售价

  在燃料电池汽车正式上市(2014年12月)前后,岩谷产业、JX日矿日石能源、东京燃气的氢气站纷纷开始营业。氢价格定在1000~1100日元/kg,相当于混合动力车同等距离行驶时消耗的燃油费。

 

水素ステーションの開所状況

资料:日本经济产业省

 

 



燃料电池车丰田Mirai的技术

  丰田汽车株式会社的产品企划本部常务董事小木曾聪发表主题演讲,而技术统括部河合大洋则发表了更详细的专业研讨演讲,以下将结合2位的演讲内容,对燃料电池车Mirai进行介绍。

 

小木曽聡氏 丰田汽车产品企划本部常务董事 小木曾聪 河合大洋氏 丰田汽车技术总括部主査 河合大洋

 

燃料电池原理

燃料電池のしくみ
资料:丰田汽车株式会社

  燃料电池是一种将氢气与氧气转化为电与水的发电装置。产生的电力驱动电机,使车辆行驶。燃料电池的原理如下:

① 向燃料电极传输氢气

② 氢气利用燃料电极的催化剂产生活性,释放出电子

③ 从氢中分离的电子通过燃料电极流向空气电极,产生电力

④ 放出电子的氢成为氢离子,从燃料电极通过固体高分子电解质膜移动至空气电极

⑤ 空气电极的催化剂使空气中的氧、氢离子、电子相结合,生成水

 

燃料电池车的基本结构

  燃料电池车将高压氢气瓶中储存的氢与空气中的氧提供至燃料电池,转化为电力与水。产生的电力驱动电机,使车辆行驶。

 

動作原理

资料:丰田汽车株式会社

① 吸入空气。利用大气中丰富的氧

② 将大气中的氧与储存在高压氢气瓶中的氢传输至燃料电池。

③ 燃料电池将氧与氢转化为电与水。

④ 产生的电力传输至电机。

⑤ 利用电力转动电机,使车辆行驶。

 

丰田Mirai的车辆结构

  丰田Mirai将2个高压氢气瓶安装在后排座椅下方以及行李厢内,向前排座椅下方的燃料电池(燃料电池堆)输送氢与大气中的氧,进行发电。产生的电力通过燃料电池升压转化器,将电压升至650V,用于驱动电机。通过使用燃料电池升压转化器,可减少燃料电池堆的电池个数,还能利用丰田现有混合动力车的650V电源装置。

 

トヨタミライの車両構造

资料:丰田汽车株式会社

 

燃料电池堆的结构

FCスタックの構造

资料:丰田汽车株式会社

  与旧款燃料电池车丰田FCHV-adv(2008年)相比,体积缩小,功率变大,体积功率密度提高1.2倍,达3.1kW/L,达到全球最高水平。通过小型化,成功将燃料电池堆配置于前排座椅下方。

 

新型FCスタックの高出力密度化

资料:丰田汽车株式会社

 

新型燃料电池堆 (Mirai) 2008年燃料电池堆
最大输出功率 114kW ( 155PS ) 90kW
体积功率密度/重量功率密度 3.1kW/L (全球最高水平)/2.0kW/kg 1.4kW/L / 0.83kW/kg
体积/重量 37L/56kg (电池元件+连接件) 64L/108kg
电池元件 个数 370个 (单层) 400个 (双层)
厚度 1.34mm 1.68mm
重量 102g 166g
流道 3D精细网格流道 (空气电极方面全球首次采用) 漕流道
配套位置 地板下 (三厢车) 电机室 (SUV)

 

新开发的电池元件流道结构提高发电性能

  通过采用新结构的3D精细网格流道,促进排水性、氧的扩散性,可防止生成的水滞留,实现电池元件表面的均一发电。

 

新開発セル流路構造

资料:丰田汽车株式会社

 

大幅提高电极的反应速度

  通过降低电解质膜的厚度、提高气体扩散层的扩散性以及催化剂的活性,大幅提高电极的反应速度。

① 降低电解质膜厚度:电解质膜厚度降低至1/3,使质子(氢离子H+)的传导性提高2倍

② 提高气体扩散层的扩散性:降低基材的密度,从而降低扩散层厚度,使气体扩散性提高1倍

③ 提高催化剂的活性:通过采用反应速度较快的Pt/Co合金催化剂,将活性提高0.8倍

 

電極の革新

资料:丰田汽车株式会社

 

采用内部循环方式(无加湿器)使系统小型轻量化

  原先为了确保通过电解质膜的质子(氢离子H+)的传导性,系统通过加湿器为进入的空气(氧气)进行加湿。新系统则将生成的水(水蒸气) 在电池元件内部循环,进行自我加湿。去除加湿器后,系统实现简化,容积缩小15升,重量也减轻13kg。

 

内部循環方式

资料:丰田汽车株式会社

 

燃料电池升压转化器

  通过开发出大容量的燃料电池升压转化器,提高电极的电压、减少燃料电池堆的电池个数,从而实现系统的小型轻量化,并进一步提高静谧性。

  此外,电压与现有混合动力车一致,从而实现电极及电池等单元的共享。这样一来,无需针对燃料电池车开发专用部件,可降低研发费用及零部件成本,还能确保可靠性。该方法可有效降低试生产时产生的巨大开发费用负担。

 

FC昇圧コンバーター

资料:丰田汽车株式会社

 

FC昇圧コンバーター

资料:丰田汽车株式会社

 

高压氢气瓶

タンク貯蔵性能

资料:丰田汽车株式会社

  丰田自2000年起自主开发高圧氢气瓶,为Mirai配套的氢气瓶对碳纤维强化树脂层的结构进行改革,实施轻量化,实现全球最高水平的储存性能5.7wt%。

 

削减燃料电池系统成本

  据丰田汽车透露,燃料电池系统的成本从2008年的FCHV-adv到2015年的Mirai,削减了95%。且与目前FCV普及初期相比,未来真正普及后还将进一步降低成本。通过降低各种零部件、组件的成本、增加氢气站数量、降低氢气价格,可使FCV真正实现普及,届时量产效果还将进一步降低车辆成本。目前年产量在1,000台~3,000台左右,未来如果月产量超过1,000台,可大大降低分摊至每台车的研发费、资本支出等。 低成本、小型化方面的努力

低コスト化・小型化への取組み1 FC系统成本:削减材料用量及零部件个数、共享量产零部件等,使成本相比2008款丰田FCHV-adv削减至少95%。 FC系统大小:实现小型化,甚至可为三厢车配套。(2008款丰田FCHV-adv为SUV) 注) ◎:效果大 ○:效果一般 ●:适用

低コスト化・小型化への取組み2

资料:丰田汽车株式会社

 

 



本田FCV概念车的技术

  本田技术研究所的四轮研发中心首席研究员守谷隆史关于本田在燃料电池车方面的成果发表演讲。以下将介绍其演讲内容以及将于2015年度发售的本田FCV概念车。

  相比本田2008年租赁发售并开展道路测试的FCX Clarity,FCV概念车取得极大进步。

  首先,最大的特征是将FCX Clarity车厢中央的中央通道内配置的燃料电池堆大幅小型化,与驱动电机以及齿轮箱一体化,安装在动力总成舱(发动机舱) 内。由此形成宽敞的车厢,使核载人数从4人扩大至5人。

 

守谷隆史氏 本田技术研究所四轮研发中心首席研究员 守谷隆史 ホンダFCVコンセプト 资料:本田技研工业株式会社

  此次新开发的燃料电池堆功率不低于FCX Clarity的100Kw,且容积减少33%。   电压控制单元通过对电池堆电压进行升压,利用高电压驱动电机,通过采用碳化硅电源模块,实现小型化、大功率。   电动涡轮型压缩机的空气进气压比原先加强了0.7倍。  

FCスタック FCスタック

 

FCV概念车 FCX Clarity (2008年)
燃料电池堆功率 100kW及以上 100kW
续航里程 (JC08标准) 700km及以上 620km
核载人数 5名 4名
氢气充填压力 70MPa (700气压) 35MPa (350气压)
充填时间 3分钟左右※ 3~4分钟

※氢气充填条件不同,充填时间也有所不同。

 

FCV的开发课题

  守谷氏针对有待解决的技术课题,认为在一定条件下解决方案可以成立,但要真正普及,需要确立更高条件下的技术,因此将继续实施技术开发。

 

项目 技术开发现状及今后课题
可靠性 ・发现老化、可靠度下降的主要原因。 ・主要是启动和停车 (泊车时) 会对燃料电池的性能造成较大损害。 →保持电极两侧的氢气、空气在一定条件下循环非常重要 (控制技术很重要)。 →预计可靠性将获得逐步改善。
品质保证 ・燃料电池堆是特殊的机械结构。   (将数百片多功能部件重叠,直列排放) →只要其中1个部件出现质量问题,就会影响到整体性能。   (性能下降、氢气安全、高电压电力安全) →单个部件至少保证次品发生率减少10%以上 (⇔削减成本)。
削减成本 ・充分利用可共享的一般材料,降低材料成本。 ・通过缩短零部件的生产时间,降低生产成本 (⇔品质保证)。 ・削减贵金属材料的用量 (减少电极上白金的用量⇔可靠性)。 →建立降低基本成本的技术、确保产量是关键。

 

 



2015年氢能与燃料电池展 (FC EXPO 2015) 的采访

  一向被认为是未来技术的FCV,随着丰田Mirai的上市及氢气站的完善,一举成为现实。目前车辆价格仍较高,一般用户尚无法承受。但随着氢能供应基础设施的迅速完善,实现1000~1100日元/kg的售价,比预想的价格更低,其每公里燃油费已相当于混合动力车的水平。为了使其普及率达到混合动力车的水平,车辆价格、氢气价格需要进一步降低,因此要使用户感受到成本优势的道路还很长。在用户数量增加之前,由于氢气站的投资尚无法回收,因此要增加其数量仍较为困难。要想普及FCV,需要进一步提升FCV本身的吸引力。

 

每公里燃油费比较

  FCV的燃油费与混合动力车、纯电动车相比较的结果如下。JX日矿日石集团推出的氢气价格为1000日元/kg,其他供应商的价格在1100日元/kg,均低于预计价格。这使得FCV在投放初期其燃油费就已经降低至混合动力车的同等水平。EV的燃油费也较为低廉,但FCV既具有EV的特点,燃油费较之汽油车又更低廉。

 

燃料电池车、EV/HEV的燃油费比较

燃料電池車とEV/HEVとの燃料費比

  各车辆在JC08标准下的燃耗。FCV的氢气燃料价格根据1000日元/kg计算。纯电动车的电费根据夜间用电价格12.16日元/kWh计算。由于汽油价格2014年全年的平均值与2015年1月~3月16日的平均值相差较大,因此分别列出以作比较。丰田Mirai的混合动力车、汽油车的比较对象是同级别的雷克萨斯GS,车辆尺寸、车厢尺寸均相近。

  每公里燃油费的比较中,EV采用夜间充电时,在成本上具有明显优势。但是EV或是像Leaf那样只提供单一续航里程,或是像特斯拉Model S那样,要延长续航里程,需要配套Leaf两倍的电池,价格更高、重量也更重。FCV在续航里程方面已不存在问题,但截至目前车辆成本仍较高。

  关于电池与燃料电池堆+氢气瓶的组合,其性能的上升空间分别有多大、未来谁的重量更轻、成本更低,有各种说法,但要得出结论还为时过早。此外,氢能与电力的用途不仅限于汽车,还将考虑作为整个社会的能源加以利用。氢能的优势在于,可储存多余的电力,还可进行运输。虽然氢气相关基础设施的完善尚需时日,但人们今后将越来越关注快速发展的FCV相关技术。

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