国内外燃料电池汽车发展

世界范围内,燃料电池汽车发展大致可以分为五个阶段:创新探索?原理验证?技术攻关?市场切入及商业应用?

1 国外燃料电池发展史

1.1 创新探索阶段

20世纪80年代以前曾出现过以燃料电池为汽车动力源的创新探索,但当时的燃料电池技术并未成熟,更无法实现商业化生产?

人们以创新和尝试的方式,将燃料电池作为汽车动力源来驱动汽车?创新探索阶段的燃料电池汽车代表如图1-8所示:美国Allis-Chalmes公司Harry Karl Ihrig博士使用碱性燃料电池开发的农业拖拉机(1959年,图1-8a);通用汽车公司开发的氢燃料电池厢式货车(1966年,图1-8b);捷克发明家Karl Kordesch基于碱性燃料电池改装的燃料电池轿车(1970年,图1-8c);加利福尼亚大学洛杉矶分校师生改装发明的氢燃料电池汽车(1979年,图1-8d);俄罗斯Kvant-RAF燃料电池客车(1979年,图1-8e)?

图1-8 创新探索阶段的燃料电池汽车代表

之后人们似乎放弃了利用燃料电池作为汽车动力源的设想,直到十多年之后的20世纪90年代,随着高功率密度质子交换膜燃料电池的问世,燃料电池汽车的探索又重新开始?

1.2 原理验证阶段

20世纪90年代之后的十多年间,各大跨国汽车公司开始了氢燃料电池汽车的概念设计和原理性验证,推出了很多型号的氢燃料电池汽车?比较有代表性的包括戴姆勒-克莱斯勒的VECAR1/2/3系列氢燃料电池概念车(1994-1997年)?丰田的FCHV1/2/3氢燃料电池混合动力概念车(1997-2001年)?本田FCX-VI/21314氢燃料电池概念车(1999-2001年)?通用汽车公司HydroGen1/2/3氢燃料电池概念车(2001-2004年)等?

1.3 技术攻关阶段

2005年之后,燃料电池作为车用动力源的可行性已经得到汽车行业的认可,各大公司开始进入工程化的技术攻关阶段,开始大力开展燃料电池汽车技术攻关研究,陆续进行了技术验证性示范考核?其主要技术问题集中在功率密度?耐久性?环境适应性(零下冷起动)的提升及成本的控制上?

与此同时,试图通过示范运营逐步向公众推广,比如以租赁?公共出行服务等方式供客户体验使用?以推出时间先后排序,包括本田的FCX氢燃料电池汽车(2002-2007年,美国加州,日本)?福特的氢燃料电池版福克斯轿车(2003-2006年,美国的加州?佛罗里达,加拿大)?日产的氢燃料电池版X-Trail(2003-2013年,美国加州,日本)?奔驰的F-Cell(2005―2007年,全球)?通用雪佛兰的Equinox燃料电池轿车(2007―2009年,美国的加州和纽约)?与乘用车租赁使用同期,数十辆氢燃料电池客车在全球各地开展了商业化示范运行?主要包括:以30辆奔驰公司Citaro氢燃料电池客车为主?在欧盟7个城市以及中国北京和澳大利亚珀斯进行的欧盟HyfleetCUTE工程(2003-2010年),以及在全球多个城市开展的氢燃料电池客车商业化运行示范(2003年至今)?日本JHFC工程(2002-2010年)?美国氢燃料电池客车示范工程(2006年至今)等?

1.4 市场切入阶段

2010-2015年期间,氢燃料电池汽车开始寻找市场,并在某些特殊领域率先取得商业化?氢燃料电池系统在2010年开始应用于物料运输领域,如美国沃尔玛?可口可乐和西斯科等超市和食品批发的物流运输领域?截至2015年,共有34家企业8000多辆氢燃料电池叉车投入运行,由于具有良好的经济性,企业主动购买使用的车辆数量超过政府支持的10倍,起到了积极的技术和市场引导作用,真正实现了商业化成功?在私人市场,燃料电池轿车仍然没有获得足够优势?

1.5 商业应用阶段

在美?日?加等国及欧洲,燃料电池以乘用车?城市公交客车和燃料电池叉车应用为主?

1.5.1 燃料电池乘用车

早在2014年,现代公司的燃料电池汽车在美国加利福尼亚州以租赁形式开始出售;2015年,丰田公司推出Mirai氢燃料电池轿车,仅限在日本?美国和欧洲销售;2016年,本田推出仅在日本本土销售的氢燃料电池轿车Clarity?

2015年之后,燃料电池乘用车开始在部分区域面向私人用户销售,初步进入商业化阶段?以丰田Mirai?本田Clarity及现代NEXO为代表的量产燃料电池汽车,正式进入商业销售?截至2019年,国外各大汽车公司均已推出自己的燃料电池乘用车品牌,国外燃料电池汽车量产乘用车见表1-10?

1.5.2 燃料电池客车

燃料电池城市客车在加速时间?最高车速等动力性指标方面与燃油车型基本相当?其最高车速以80km/h居多,0-50km/h加速时间在20s左右,续驶里程适中,一般在250~400km,储氢瓶的最高压力均为35MPa?国外燃料电池商用车应用进展见表1-11?

表1-11 国外燃料电池商用车应用进展

1.5.3 燃料电池叉车

相比于电动叉车,燃料电池叉车燃料加注时间短,停机时间非常少,因此运行效率高?在美国有超过2万台叉车在运行,美国市场上出售的氢燃料电池叉车应用进展见表1-12?

2 中国燃料电池汽车发展

中国燃料电池汽车发展，经历了政府主导的科技攻关阶段，示范运营阶段和市场切入应用期?

2.1 技术攻关阶段

在国家十五“863”电动车重大科技专项?十一五节能与新能源汽车重大项目十二五及十三五新能源汽车重点专项的资助下.我国燃料电池汽车技术研发取得重要进展,基本掌握了整车?动力系统与关键零部件的核心技术;建立了具有自主知识产权的燃料电池汽车动,力系统技术平台,形成了燃料电池发动机?动力电池?DC/DC变换器?驱动电机?储氢与供氢系统等关键零部件配套研发体系,具有百量级燃料电池汽车动力系统平台与整车生产能力?

该阶段以东风汽车研制的“楚天一号”?同济大学研制的“超越”系列?上汽集团的“上海牌”和“帕萨特”?一汽集团的“奔腾”?长安汽车的“志翔”以及广汽和奇瑞汽车等国内主流整机厂的原型样车为代表?商用车方面,以清华大学联合其他客车厂研制的四代燃料电池城市客车为代表?

2.2 示范应用阶段

在商业化应用之前,通过示范运营可以积累不同工况下汽车的运营数据,与传统燃油汽车的运营数据对比;还可以积累大量的车辆使用?故障监测与检测诊断数据?国内燃料电池汽车规模较大的示范运营包括2008年北京奥运会示范及2010年上海世博会示范?

北京奥运会倡导“绿色奥运”以氢燃料电池为动力的轿车及客车替代部分车辆参加运营?其中福田汽车与清华大学开发的3辆氢燃料电池电动客车完成了北京奥运会服务用车任务和为期一年的示范运行；由上海燃料电池汽车动力系统有限公司与上海大众联合生产的20辆燃料电池轿车作为北京奥运会期间科技部、奥组委、北京运输局的公务用车。

上海燃料电池汽车动力系统有限公司与国内五大整车厂合作生产了上汽荣威、一汽奔腾、大众新领驭、长安志翔、奇瑞东方之子等多种型号的70辆燃料电池轿车及100辆燃料电池观光车，运行在世博园区为游客服务。3辆燃料电池客车出勤1835次，接送游客5252人次，服务总里程数86000km;70辆燃料电池轿车运行总里程数195188km,单车最大运行里程6565km.累计供车车次2800多次;100辆燃料电池观光车累计接待游客2230475人次，总运营里程578655km。这是截至当时，世界上最大规模的燃料电池汽车示范运营。

2.3 商业化应用阶段

在国家的政策鼓励下?燃料电池汽车在逐步进入商业应用领域。我国城市治理大气污染压力很大,对汽车排放要求高,很多大城市都限制传统燃油汽车的使用?氢燃料电池物流车及城市公交车行驶过程零排放,可以规避城市环保管理压力,这有利于其完成同城公共交通及物流配送功能?

2015年广东佛山市首批28辆氢能大巴在佛山云浮示范运营,2016年佛山全国首个全商业化运营的加氢站正式投入使用,成为全国第一个燃料电池汽车商业化运营示范区?2016年上海大通汽车V80型燃料电池轻型货车发布,并于2018年交付400辆作为上海金山化工园区通勤车辆使用?这是继氢燃料电池车在佛山首次实现商业运营后第二个商业化运营区域?截至2018年8月,获得工信部产品公告目录的燃料电池车型已达到100多个?

随着快递物流行业的快速发展,物流行业可能成为燃料电池汽车应用的突破口?城市物流车车型多样,包括无车厢的平板车?带护栏的轻型货车,厢式货车等?不仅汽车企业,如上海大通?东风特汽等企业积极进入物流车市场?物流及零售企业,如京东?申通都通过战略合作形式开发出燃料电池物流车?

国内各地加氢站及相关基础设施也开始逐步建立?2016年北京重启氢燃料电池车示范运营,并为2022年冬奥会燃料电池汽车商业运营做准备?2017年11月,江苏如皋根据江苏省特色小镇建设规划,立足氢能产业优势,开展氢能特色小镇建设?2017年12月,广东佛山以佛山(云浮)产业转移工业园为基础,围绕新能源(含燃料电池?混合动力?纯电动)汽车进行研发?生产?销售,打造成为“氢能之城”?2018年1月,《武汉氢能产业发展规划》中的建议方案显示,3年内将以武汉沌口开发区为核心,打造“氢能汽车之都”?2018年2月,四川省氢能与燃料电池产业创新联盟由省能投天然气公司?清华大学?东方电气?启迪能源?北京氢能时代等科研机构和骨干企业组建,将通过集聚相关产业技术资源,加强协同创新,统筹推动包括制氢?储运氢?加氢基础设施?燃料电池应用的全产业链技术突破?2018年4月,由中国汽车工程学会携手上海市和江苏省苏州?南通?如皋?盐城四城市共同推进“长三角氢走廊”?2018年9月,山东省人民政府印发了《山东省新能源产业发展规划(2018―2028年)》,内容涵盖新能源汽车?核电?智能电 及储能?热泵?太阳能?风能?生物质能?氢能?可燃冰?海洋能等领域?2018年12月,大同市政府与燃料电池行业专业机构联合组织的2018“氢都”大同氢能产业发展高峰论坛,探讨大同氢能技术发展路径?2019年1月,宁波市政府通过了《宁波加快氢能产业发展的指导意见》,打造氢能装备制造基地,推进氢能技术创新研发,推进氢能示范应用,建设氢能产业创新协同平台,引进培育氢能龙头企业以及推进氢能公共服务平台建设?

表1-12 美国市场上出售的氢燃料电池叉车应用进展