FCV(燃料电池车)的开发动向和课题

向氢气社会迈出一步的汽车行业

2016/05/05

概 要

FCV Clarity Fuel Cell
本田 FCV Clarity Fuel Cell
Toyota Mirai
丰田 MIRAI

 

 FCV(Fuel Cell Vehicle=燃料电池车)能否成为汽车社会有待解决的环境能源问题的解决对策?巴拉德公司、戴姆勒以及通用等公司研究FCV的历史很长。通用向曾经制作过原子弹的洛斯阿拉莫斯研究所派遣研究员,作为国家项目之一,研究过燃料电池。替代汽车的心脏部位ICE(Internal Combustion Engine=内燃机关)的是燃料电池动力总成,其原理是利用氢气和氧气反应产生水时产生的电力,启动驱动电动机。将军事、航天工业中开展研究和实际应用的火箭科学应用至大量耗材的汽车领域仍存在诸多课题。燃料电池是否会像GPS(Global Positioning System=全球定位系统)应用于手机和导航仪那样在全世界普及?是先普及车辆、还是先完善基础设施?这一议题除了EV(Electric Vehicle=纯电动车),也存在于FCV。本报告将介绍FCV的开发动向和课题。

 

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FCV的开发动向

 2016年3月举行的FC EXPO 2016专业技术研讨会上,来自日、美、欧的整车厂分别发布了FCV的开发动向。各整车厂研发FCV的历史都较为长久。

GM

 通用自1964年制作首辆试验车以来,到2014年5月为止已累计完成300万英里的FCV行驶试验,2016年宣布,将向军方提供对雪佛兰Colorado皮卡进行改装的FCV(Gen1)以便试用,实施为期12个月的路上试验。

 

2007 Equinox 2016 Gen1 (军方试用) GM Gen2 目标 (下一代)
燃料电池功率 93kW 85-92kW 80-95kW
巡航时燃料电池最高温度 86℃ 95℃ 105℃目标
耐久性 3万英里
(1500小时)
15万英里
(8450小时,12年)
同左
低温启动保证 零下25℃ 零下40℃ 同左
燃料电池动力总成重量 240kg 120kg以下 105kg以下
燃料电池组 复合结构 不锈钢冲孔结构 铁素体铁
80g白金催化剂/组 30g白金催化剂/组 12g以下白金催化剂/组
成本 $$$$ $$$ $$

(FC EXPO 2016 专业技术研讨会FC-3 MarkLines根据通用资料总结而成)

 

Daimler AG

 戴姆勒集团自1980年起启动试验车的开发,开发对A-Class进行改装的FCV GEN1,2003年开发对B-Class改装的GEN2,目前正在开发使燃料电池动力总成部分缩小30%的GEN3、4,加快FCV的实用化。通用与日产共同开发的车辆计划在2017年度上市,目前处于准备阶段。


 在日本,随着丰田和本田最新款FCV的上市,以经济产业省的推动以及2020年东京奥运会的举办等为契机,政府和民间都开始积极普及FCV。

 

Toyota

 2014年12月开始上市的丰田FCV“MIRAI”1个月便获得约1500辆的订单,丰田宣布,年产能将从最初的700辆到2017年增至3000辆。丰田计划从2020年起,将“MIRAI”的全球年销量提高至3万辆以上(日本月销售1000辆以上)。丰田将把自身积累的HEV技术应用至EV、PHEV(插电式混合动力车)以及FCV。为即将到来的氢气社会提出电动车的划分方案。

 

TOYOTA

TOYOTA

(FC EXPO 2016专业技术研讨会FC-2 MarkLines根据丰田资料制作而成)


 

Honda

【Clarity Fuel Cell主要参数】

本田 Clarity Fuel Cell 参考 丰田 MIRAI 主要参数
驱动方式 FF FF
车名/型号 本田・ZBA-ZC4 丰田・ZBA- JPD10-CEDSS
尺寸/重量/乘坐人数 长(m)/宽(m)/高(m) 4.915/1.875/1.480 4.890/1.815/1.535
轴距(m) 2.750 2.780
轮距(m) 前/后 1.580/1.585 1.535/1.545
最小离地间隙(m) 0.135 0.130
整备质量(kg) 1,890 1,850
乘坐人数(名) 5 4
车厢内尺寸(m) 长/宽/高 1.950/1.580/1.160 2.040/1.465/1.185
电动机(电机) 型号 MCF4 4JM
种类 交流同步电动机 交流同步电动机
燃料电池组 种类 固体高分子型 固体高分子型
燃料箱 燃料种类 压缩氢气 压缩氢气
个数 2 2
燃料箱内容量(L) 141(前方24/后方117) 122.4(前方60/后方62.4)
公称压力(MPa) 70 70(约700气压)
性能 燃料电池组 最高功率(kW[PS]) 103[140] 114[155]
电动机(电机) 最高功率(kW[PS]/rpm) 130[177]/4501-9028
[最大转速:13000rpm]
113[154]
最大扭矩(N・m[kgf・m]/rpm) 300[30.6]/0-3500 335[34.2]
最小旋转半径(m) 5.7 5.7
驱动用电池 种类 锂离子电池 镍氢电池
动力传递/行驶装置 最终减速比 9.333 8.779
转向器装置形式 齿条/齿轮式 齿条/齿轮式
轮胎 前/后 235/45R18 94W 215/55R17
主制动器的种类/形式 前/后 通风盘式/盘式 通风盘式/盘式
悬架方式 前/后 麦弗逊式/多连杆(叉形杆)式 滑柱式螺旋弹簧/扭转梁式螺旋弹簧
稳定杆形式 前/后 扭力杆式



 本田2016年3月开始租售Clarity Fuel Cell。2016年度计划租售200辆左右。基于MM(Machine Minimum)的理念,使燃料电池动力总成(燃料电池组、驱动单元、FC升压转化器、电动涡轮型空调压缩机)缩小至与V6发动机同等的尺寸,放置在小型化的发动机舱内,扩大乘坐空间。

 

Toyota MIRAI Toyota MIRAI


 针对70MPa的充填压力,全球首次实现氢气零渗透的铝合金内衬氢气罐(丰田MIRAI采用CFRP的塑料3层结构)。


 燃料电池组发的电通过FC升压转化器升压至500V,带动驱动电机。氢气从氢气罐输送至燃料电池组的同时,电动涡轮型空调压缩机将空气送入。

 

Fuel cell powertrain

 燃料电池组内部的电池元件随处可见本田独有的技术,包括空气、氢气的流动方式、电池的小型化、高密度化等方面。电池具有独特的结构,由2块MEA(Membrane Electrode Assembly=膜电极组)和3块分隔片构成1个单元(2块电池),减少了电池组的厚度。通过逆转氢气和空气的流动方向、以及缩小流路宽度,减少发电时产生的水分,从而改善了冰点以下启动时的发电性能。

cell structurecell structure

MEA structureMEA structure



 MEA结构除发电部分以外都采用树脂框架,造价高昂的MEA的使用量减少40%,削减了成本,并提高了燃料电池组的生产效率。

 除了燃料电池系统固有部位,Clarity FUEL CELL提高了驱动电机的输出功率以及静音性,还首次在汽车上采用“铝合金中空压铸前副车架”。为了实现悬架的轻量化,采用全球首个高强度铝合金锻造横拉杆,并将钢材料替换为铝合金锻造材料等,实施了富有挑战性的轻量化。

 

front subframefront suspention

(以上为MarkLines根据本田宣传资料制作而成)



氢气加气站

 氢气加气站在美国加利福尼亚州以及德国也有建造,但本报告将介绍日本的建造情况。2015年度氢气站的建设目标为在4大城市圏以及连接这些城市圈的高速公路沿线建造100个(2015年度末实际建造82个),但该计划延迟1年,推迟到2016年度。日本经济产业省于2016年3月总结了“氢气与燃料电池战略规划”的修订方案,并首次明确提出FCV的具体普及数量目标,即2020年度4万辆、25年度20万辆、30年度80万辆。氢气站设备数量目标也修订为20年度160个、25年度320个。


 本田还在开展智能氢气站(SHS=Smart Hydrogen Station)的建造。 目前正在增加打包型智能氢气站,相比使用太阳能的分配配置型氢气站,其建造更简单。

 

smart hydrogen station

(MarkLines对本田网站内容的总结)



为何现在要开始重视氢气?

 针对全球化的环境、CO2和能源问题,从向电动化方向寻求汽车动力技术最终答案的汽车行业、以及从能源安全的角度摸索脱石油的国策都指向了氢气。氢气的制造方法有很多,目前正在考虑从褐煤提取液化氢气,在海外生产,并进口到日本的计划。

 

其理由为以下2点:

① 氢气与汽油相比,“价值的海外流失较小”

② 日本擅长的技术可创造日本的国际竞争力、工业化和就业。

 

TOYOTA
(FC EXPO 2016 专业技术研讨会FC-2 MarkLines根据丰田资料制作而成)

 

①的理由前提如下:

 ・汽油HV车行驶10km的燃油费:90多日元

 ・FCV的燃油费为60多日元(1100日元/kg)

 汽油方面,加油站的成本(黑色部分)和国内汽油精炼费用以及运输到加油站的运输费用(白色部分)合计在27日元左右(35%)。

 而氢气方面,氢气站成本(黑色部分)和在国内生产氢气的费用以及运输成本(白色部分)合计在40日元左右(65%),如此算来,消费者支付的燃油费中回流至日本国内的金额,氢气大于汽油。

 

② 的理由前提如下:

 日本汽车行业在FCV的核心零部件(燃料电池动力总成系统、氢气罐、电动零部件等)、以及系统的开发和生产方面具有较强的竞争力。



褐煤的利用

 褐煤的水分较多,碳含量仅70~78%,因此在全世界基本未被采掘,保留在煤矿资源中。但同时,日本企业千代田化工、川崎重工、IHI等公司正在考虑和研究在澳大利亚挖掘这种褐煤,在当地加工为氢气,并液化后通过专用船只进口至日本的项目。

 千代田化工建设公司的氢气运输业务始于2015年度末,川崎重工业计划2030年正式启动商用氢气运输链。两家公司都计划在正式投产时将氢气的进口价格定在约30日元/Nm3,批量化提供低价的无CO2氢气。



FCV普及的课题

成本

 最大课题就是成本。丰田2008年开始租售FCHV-adv,其燃料电池系统的成本到2014年投放的MIRAI已降低至1/20。MIRAI的含消费税售价为723.6万日元。即使获得200万左右的补贴,价格仍超过500万日元。即使2020年起每年在全球销售3万辆,仍远远达不到30万辆/年产,也就是汽车行业的EOS(Economy of Scale=规模经济)。因此,在汽车行业围绕FCV的投放整车厂的合作仍将推进。


 目前在FCV方面,通用与本田、宝马与丰田、大众(BALLAD)与上汽、福特与日产和戴姆勒集团合作,共享研发费用、零部件系统,量产化等,推进成本的削减。现有合作计划包括以下:

・通用将在2020年左右投放与本田共同开发的车辆

・宝马与丰田开展共同研发

・日产与戴姆勒将在2017年度投放共同研发的车辆

 

GM
(FC EXPO 2016 专业技术研讨会FC-3 MarkLines根据通用资料制作而成)

 

 上图选自通用在专业技术研讨会FC-3上发布的内容。企业开始研究新技术,当新技术发展至开发设计阶段,并实现产品化,在工厂开始投产,交付到客户手中,企业到新产品成功为止,要累计投入大量资金。“死亡之谷(Valley of death)”是指在新产品成功之前,投入资金的最大损失点。只有新产品成功后,投入的资金才开始回收,从累计损失上升到0开始,才逐渐产生利润。企业为了能尽快进入图中右侧的蓝色区域,推进联盟合作。

 

安全性

 需要按照以下4项原则来切实管理氢气。

1. 不泄露
2. 如泄露应当及时检测到
3. 不堆积
4. 防止燃烧

 

Nissan
(FC EXPO 2016 专业技术研讨会FC-2MarkLines根据日产资料制作而成)

 

可持续的技术开发

普及FCV时需要可持续的技术开发

HONDA
(FC EXPO 2016 专业技术研讨会FC-2 MarkLines根据本田资料制作而成)



未来发展方向

 根据日本经济产业省的新规划,从2020年举行东京奥运会前后开始进入第2阶段,其国家战略是产官学将合作致力于真正的氢气社会,FCV能否成为解决全球环境和能源问题的决定性因素,将在未来20-30年进入实证阶段。

 

第1阶段:2009年至2015年  飞跃性地扩大氢气的利用

第2阶段:2020年代中期  氢气发电的正式引进/确立大规模的氢气供应系统

第3阶段:2040年前后  确立整体无CO2氢气的供应系统


 为了使FCV成功,实现无环境和能源问题的氢气社会,产官学就必须根据国家战略,一致合作、统一标准、推进整车厂的合作,给予优惠鼓励,跨越“死亡之谷”。当前或许仍处于“遥望山顶”努力攀登的时代。

 

(参考资料)

燃料电池的电池元件与电池组

Nissan

Nissan
(FC EXPO 2016 专业技术研讨会FC-2MarkLines根据日产资料制作而成)

<全球汽车产业平台 MarkLines>