本田的FCV:为实现氢气社会而开展的研发及展望

摘自2018年Automotive World以及2018年FC EXPO展会的演讲内容

2018/03/27

概要

 本报告将介绍在东京Big Sight国际展示中心举行的第10届Automotive World (2018年1月) 以及第14届FC EXPO (2018年2月) 的FCV的主题研讨会上,本田为扩大燃料电池车的普及开展的研发及展望。演讲内容主旨如下:

 为了未来实现能源安全以及降低CO2排放,社会正向电气化/氢气化转型,车辆的电动化进程也越来越快。氢气能简单地转换为电能,且燃烧后也不会排放CO2,因此是实现低碳社会的有效能量载体。

 本田以“制造”、“使用”、“连接”为理念,正致力于开发实现氢气社会的技术。2016年3月发售了FCV“CLARITY FUEL CELL”。

 为普及燃料电池车,降低成本、建立品质技术以及完善基础设施将是亟待解决的问题。要实现氢气社会,需要产官学在广泛领域开展合作,通过相互协作的关系,加快技术开发、放宽相关法规门槛、完善基础设施建设等。

本田 CLARITY FUEL CELL
(2019年FC EXPO)
本田下一代环保车路线图
(本田资料)
氢气是可持续发展的循环利用能源
(本田资料)



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本田的FCV开发:解决环境和能源问题

 株式会社 本田技术研究所 四轮研发中心 第五技术开发室 首席研究员 守谷隆史先生的演讲概要如下:

 近期全球重大的问题主要是气候变暖、能源供应的不稳定、全球范围的环境问题。

  • 大气环境 - 降低尾气排放
  • 全球变暖 - 降低CO2排放
  • 能源枯竭 - 可再生燃料

 为了解决汽车产业在环境和能源方面的问题,产生了利用从自然能源提取的氢气驱动的FCV。此外,下一代汽车削减CO2排放的可能性如下: (本田估算)

  • 可再生能源发电产生的电力驱动小型BEV:CO2零排放
  • 利用太阳能将水电解为氢气与氧气,驱动FCV “FCX Clarity”:CO2零排放

 本田计划到2030年,将销量的2/3替换为PHV、HV、FCV以及BEV等零排放车辆。

汽车产业面临的环境与能源问题
(本田 研讨会资料*1)
本田 FCV的进化
(本田 研讨会资料*1)
本田在环保车方面的努力
(本田 演示资料 *2)

*1 日本经济产业省关东经济产业局“广域关东圏氢气/燃料电池合作团体”研讨会资料《本田向氢气社会作出的努力 FCV, SHS》
*2 日本东京环境局“羽田机场氢气利用探讨会”资料《本田向氢气社会作出的努力》



利用氢气的智能社区:制造氢气、使用氢气、连接氢气

 氢气可通过石油、天然气、煤炭、生物质、废弃物、可再生能源、核能等多样化的初级能源制造。可再生能源的波动较大,可将能源制造高峰期的能源临时储存,如能通过社区的能源控制实现平准化,效果将十分显著。“制造”、“储存”、“运输”、“使用”氢气这一理念对未来的智能社区来说将非常重要。

氢气制造的多样性
(本田 研讨会资料 *1)
利用氢气的智能社区
(本田 研讨会资料 *1)

*1 日本经济产业省关东经济产业局“广域关东圏氢气/燃料电池合作团体”研讨会资料《本田向氢气社会出的努力 FCV, SHS》

 

 作为针对氢气社会的开发理念,以使用氢气、具有终极清洁性能的FCV为中心,将一体式氢气站SHS (Smart Hydrogen Station) 与外部供电逆变器Power Exporter 9000连接使用。本田从1996年起开启基础研究,历经20年,终于完成了FCV Clarity、SHS、Power Exporter 9000等的研发。

展示CLARITY FUEL CELL、SHS、Power Exporter 9000的氢气连接 (2018年FC EXPO) 本田理想的氢气能源社会
(本田资料)
本田的氢气相关技术开发历史
(本田 演示资料 *2)

*2 日本东京环境局“羽田机场氢气利用探讨会”资料《本田向氢气社会作出的努力》



氢气制造:智能氢气站 SHS (Smart Hydrogen Station)

  • 简便 (Simple) → 只需连接水电,安装工时约1天
  • 小型 (Small) → 小型一体式 (相当于10ft集装箱的尺寸)
  • 可持续性 (Sustainable) → 利用可再生能源及废弃物发电的电力制造氢气。利用各地区特点,实现各种能源的自产自用。

 SHS通过向电解膜通电,从水中分解氢气,分解出来的氢气能高效地储存在高压氢气瓶中。通过采用差压式高压水分解堆,不需要使用机械式压缩机,就能制造高圧氢气,杜绝了因机械式压缩机产生的损耗,能以更少的能源制造氢气。此外,取消了机械式压缩机后,还实现了小型化与优异的静谧性。

 SHS的分布方面,35MPa SHS在全日本的地方政府及公共场所共有17个,70MPa SHS则只有1个,用于开展实证测试。

一体式SHS
(本田资料)
差压式高压水分解模型
(本田 演示资料 *2)
差压式高压水分解堆的优势
(本田资料)

*2 日本东京环境局“羽田机场氢气利用探讨会”资料《本田向氢气社会作出的努力》



连接氢气:可移动型外部供电设备 Power Exporter 9000

  • 可与FCV简单连接,最大输出功率9kVA。
  • 继承本田逆变器发电机的开发过程中积累的可靠性,实现高品质的交流电输出。
  • 符合V2L标准,具有较强的通用性。
  • 无论是平时还是特殊时期,都能作为稳定的电源进行使用。

 Power Exporter 9000的用途包括:①家庭电源、②特殊时期电源、③蓄电设备供电。为普通家电供电采用AC100V 3kVA,避难场所等大型暖气、大型空调、电磁炉采用单相三线100/200V 6kVA 。

Power Exporter 9000
(2018年FC EXPO)
Power Exporter 9000可移动型外部供电设备
(本田资料)


本田CLARITY FUEL CELL:实现燃料电池堆的小型大功率化

  • 在前发动机罩内搭载燃料电池动力总成的高效套件
  • 通过优化电池与氢气瓶的配置,实现轿车的舒适乘坐空间
  • 实现FCV中最大的行李厢空间

 新型燃料电池堆的电流密度以及功率都达到原先的1.5倍。体积功率密度为3.1kW/L,比原先提高60%。这样一来,可减少30%的电芯数量,降低单个电芯厚度的同时,体积比实现小型化33%。

CLARITY FUEL CELL
(本田资料)
新型燃料电池堆
(本田 演示资料 *2)
提高发电性能
(本田 研讨会资料 *1)

*1 日本经济产业省关东经济产业局“广域关东圏氢气/燃料电池合作团体”研讨会资料《本田向氢气社会出的努力 FCV, SHS》
*2 日本东京环境局“羽田机场氢气利用探讨会”资料《本田向氢气社会作出的努力》

 

 通过电压控制单元的小型大功率化,实现燃料电池系统、驱动单元的小型化。实现尺寸相当于V6动力总成的燃料电池动力总成。

 还将驱动电机的高度降低34%,在驱动单元的上方配置燃料电池堆与VCU (Vehicle Control Unit,车辆控制单元)。将PCU (动力控制单元) 旋转90度,控制整体高度,实现能搭载于前发动机罩内的布局 (见下图)。此外,将电机的功率提高30%,提升了行驶性能,还采用运动模式,营造驾驶乐趣。

燃料电池系统的小型化
(本田 演示资料 *2)
前发动机罩内布局 
(本田资料)
驱动电机功率提升30%
(本田资料)

*2 日本东京环境局“羽田机场氢气利用探讨会”资料《本田向氢气社会作出的努力》

 

 燃料电池堆的开发方面,本田研究了燃料电池的使用方法与老化之间的关系,通过内部环境计算测量、把握特性,大幅提高了耐久性。通过缩小燃料电池堆尺寸,采用增加连接杆的耐碰撞电芯固定结构,使耐碰撞性比原先提高3倍。

 电芯的结构方面,通过减少由3片隔膜与2片MEA (Membrane Electrode Assembly、膜电极组件) 构成的薄膜水,实现1mm的电芯厚度。发电系统的加湿器与加湿器旁通阀并列安放。加湿器旁通阀根据CCM (Catalyst Coated Membrane,燃料电池电极膜) 水分量的不同,进行单独控制。

耐碰撞电芯固定结构 电芯结构 缩小气体通路的宽度

资料:本田

氢气安全理念

 作为燃料电池车,在保护电池和氢气瓶等与发动机车不同结构的同时,还要高效地吸收碰撞能量,为此本田开发了专用骨架。该直线型骨架结构将动力总成配置在车身前方,电池位于车身中央。EV的话,电机位于车身前方,电池位于车身中央,因此可以采用相同的骨架结构,有望将相同布局应用至未来的电动车。
 此外,除了保护性能,还全方位地考虑到了FCV特有的电气安全性能、氢气安全性能。

 

 本田制定了氢气的基本方针,以确保车辆的安全性。

  • 氢气不泄漏
    涉及氢气的零部件都安装在壳体内,保护零部件免受各种外部环境压力。
  • 如泄漏,通过检测及时停止,已泄漏的氢气安全排出
    万一发生氢气泄漏时,氢气传感器发现后,通过关闭氢气瓶的主截止阀,将泄漏量控制在最小范围。再将已泄漏的氢气通过导管安全地排放到车辆外部。
直线型骨架结构产生的碰撞安全性能 氢气安全理念

 资料:本田

 本田已在高温干燥地区—美国死谷、有陡坡的旧金山、有连续上坡路的加州以及寒冷地区加拿大等各个地区实施了Clarity Fuel Cell的环境测试以及耐久测试。



为普及FCV、实现氢气社会

 本田认为,FCV要为用户带来优势,就需要通过降低FCV车辆以及氢气的价格,使其整个生命周期的运转成本 (FCV车辆价格与整个生命周期的氢气费用的合计) 降低至汽油车相同水平或更低。

 作为开发车辆的整车厂,本田在续航里程、环境适应性、功率性能方面有所预见。未来,本田将致力于接近耐久性和可靠性、质量保证、削减成本等问题。这些问题相互影响,需要开发权衡了这些因素的最佳设计和可持续性技术。

  • 耐久性和可靠性:污染物混入 (杂质进入线路内时) 的影响、电位波动Pt老化 (燃料电池为了有效促进氢气氧化反应与氧还原反应,采用以Pt (铂) 为基质的电极催化剂)
  • 质量保证:升级检测技术、进一步改善质量
  • 削减成本:使用普通材料、缩短生产周期、减少贵金属的用量

 

启动出租车路试

 为更多人提供观察FCV、试乘FCV的机会,使人们切身感受到FCV的优势。研究FCV在出租车行业的影响,并反映至今后的开发中。目前在日本国内的投放情况是日野交通 (神奈川县) 1辆、大宫汽车 (埼玉县) 1辆、帝都汽车交通 (东京都) 2辆、仙台出租车 (宫城县) 2辆。

 

氢气/燃料电池战略路线图

 在日本国内,根据政府主导的氢气/燃料电池战略路线图,推进FCV的投放、以及氢气基建的完善。2025-2030年期间,将完善氢气站,并开始自主扩大规模。首先以4个大城市为中心,集中完善氢气站,随后推广至二三线城市、甚至全国。2025年前后,日本政府将重点参与其中,构建普及FCV的社会基础。
 随着氢气的大量应用,到2050年为止,氢气将占总体能耗的18%。由此,可使CO2排放量每年比目前减少约60亿吨,相当于将地球变暖温度控制在2℃以内所需削减的CO2排放量的约20%。

第1阶段 ・扶持FCV的应用 (2015~2020年前后)
・氢气基建:削减氢气站成本、扩大数量 (2015~2020年前后)
第2阶段 ・氢气发电:实证测试 (2015~2030年前后)、正式开展 (2030年~)
・大规模氢气供应:利用海外原料制造氢气,运输试验 (2015~2025年前后)、正式开展 (2030年~)
第3阶段 ・无CO2氢气:CCS (Carbon dioxide Capture and Storage,碳捕获与储存)、采用可再生能源的氢气制造试验 (2015~2030年前后)、正式开展 (2040年~)
FCV普及路线图 
(本田 研讨会资料 *1)
氢气/燃料电池战略路线图
(本田 研讨会资料 *1)
氢气站的战略完善与法规改革
(第10届氢气/燃料电池战略协商会资料)

*1 日本经济产业省关东经济产业局“广域关东圏氢气/燃料电池合作团体”研讨会资料《本田向氢气社会出的努力 FCV, SHS》

 

 2018年3月,除丰田、日产、本田以外,能源公司等共计11家公司以正式完善FCV氢气站为目的,成立新公司“日本氢气站网络合同公司” (JHyM)。高额的建设费用以及运营成本是普及氢气站的障碍,随着整车厂、基建公司、金融投资家开展战略性合作,计划到2021年度为止建设80个氢气站。



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关键词
本田、FCV、Clarity、Fuel Cell、燃料电池、氢气、SHS、Power Exporter 9000

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