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氫燃料汽車
來源:互聯網

氫燃料汽車( fuel vehicles)是指以氫燃料作為動力源的交通工具,一般指氫燃料電池汽車和氫發動機汽車。其中,氫燃料電池汽車是通過燃料電池中的氧與氫反應來運行電動機,而氫發動機汽車則是通過氫發動機燃燒氫來提供驅動車輛的能量。由于氫是一種無次生污染、零碳且無污染的清潔能源,所以,氫燃料汽車具備無污染,零碳排放的特點,并被廣泛應用于乘用車、重卡、物流車、大中型客車等領域。

氫燃料汽車的歷史可追溯至20世紀60年代,隨后研究氫燃料汽車獲得飛速發展。1993年,加拿大Ballard公司就展示了世界上第一輛燃料電池公共汽車,并示范運行了2000千里;2002年,由通用汽車公司制造的第一輛氫燃料汽車——“自主魔力”氫動力概念車亮相底特律;2014年,豐田汽車日本推出世界首款量產氫燃料電池車型MIRAI;2022年7月25日,長安深藍 SL03 氫燃料電池汽車上市,成為中國首款量產的氫燃料電池轎車。相較于氫燃料電池汽車,氫發動機汽車的歷史要更晚,具體為:2000年,寶馬旗下15輛氫發動機汽車誕生;之后氫發動機技術進入快速發展階段;2007年,福特因為氫燃料V-10發動機的正式投產成為世界首個正式生產氫燃料發動機的汽車制造商;2009年,北京理工大學氫內燃機團隊成功開發出中國第一輛氫內燃機轎車,并成功行駛超過1萬公里;之后氫發動機汽車的研發逐漸獲得人們的注意。

氫燃料汽車中的氫燃料電池汽車可根據燃料電池的類型可以分為磷酸燃料電池型、熔融碳酸根燃料電池型、固體氧化物燃料電池型和聚合物質子膜燃料電池型四類,根據車型又可以分為乘用車、客車、卡車等;氫燃料電池汽車主要由氫氣儲存罐、氫氣供應系統、氫燃料電池系統等組成。氫燃料汽車中的氫發動機汽車的分類和構造則是與其它普通內燃機大體一樣,主要區別就是發動機不同,且傳統內燃機的大部分零件氫內燃機都可以通用。在未來,氫燃料汽車作為一種新型清潔能源汽車,成為了全球汽車產業的研究熱點和發展方向。

發展簡史

氫燃料電池汽車

1839年,英國人格瑞沃發明了一種將儲存在氫、天然氣、甲醇等燃料和氧化劑中的化學能直接轉化為電能的燃料電池,只要不斷地供給燃料和氧化劑,就可以連續供電。

20世紀60年代初期,在中東戰爭引發全球石油危機后,美國為了擺脫對進口石油的依賴,首次提出“氫經濟”概念,認為未來氫氣能夠取代石油成為支撐全球交通的主要能源。

1960年至2000年,作為氫能利用重要工具的燃料電池獲得飛速發展,在航天航空、發電以及交通領域的應用實踐充分證明了氫能作為二次能源的可行性。而且,在1990年,國際能源機構還制訂了氫能和燃料電池研發和示范實施協議,之后世界主要國家(地區)均是開始重視氫能與燃料電池的研發部署。

在20世紀90年代初,美國就開始實施“新一代汽車計劃”為代表的燃料電池汽車計劃;1993年加拿大Ballard公司就展示了世界上第一輛燃料電池公共汽車,示范運行了2000千里;之后,日本馬自達公司展示了燃料電池高爾夫球車;德國Dailmer-Benz公司展示了Mercedes MB180Van燃料電池汽車;1997年,加拿大巴拉德動力系統公司的16輛燃料電池公共汽車在北美投入試運行;1998年北美車展上,福特汽車公司推出了首輛燃料電池概念車一P2000FCV。

2002年,通用汽車“自主魔力”氫動力概念車首次亮相底特律國際車展;2006年,世界上第一款供日常使用、接近零排放的氫動力驅動寶馬氫能7系豪華高性能轎車亮相柏林;2008年,北京奧運會投入運營氫燃料電池汽車;2010年,上海市世博會使用氫燃料電池觀光車;2011年,上汽集團氫燃料電池車在世界氫燃料電池車的必比登挑戰賽上獲得“6A”好成績;2014年,豐田汽車在日本推出世界首款量產氫燃料電池車型MIRAI;2018年,現代汽車集團推出其全球首款量產燃料電池SUV車型 NEXO;2022年北京冬季奧運會冬季殘疾人奧林匹克運動會期間,中國首次在大型活動上大規模應用豐田氫燃料電池汽車FCEV車型,這也是全球最大規模的一次燃料電池汽車示范應用;2022年7月25日,長安深藍 SL03 氫燃料電池汽車上市,成為中國首款量產的氫燃料電池轎車。2024年4月,據中國石化消息,兩輛以氫為燃料的汽車,實現了北京到上海市,1500公里長距離運輸測試,這是中國氫能車輛首次大范圍、長距離、跨區域的實際運輸測試。

氫發動機汽車

進入20世紀之后,科學家對氫發動機的研究陸續展開。早在1970年,日本武藏大學就已經對缸內直噴的氫燃料內燃機展開了研究;1972年美國洛斯阿拉莫斯實驗室將一臺增壓六缸四沖程車的發動機改造成液氫發動機,添加一次液氫后行駛里程超過250km;1978年寶馬公司研發氫發動機汽車,在其BMW 735i 型號轎車上進行試驗研究,該車搭載以氫氣為燃料的3.5L六缸火花點火發動機,續航里程290km以上。2000年,寶馬采用了燃油、氫氣切換利用的技術路線生產了15輛氫燃料發動機汽車,但直到2021年研發進度仍止步于這15輛汽車中。

在2003~2007年間,美國的氫發動機技術得到快速發展,年平均專利數50件,并從2010年起,年均專利數均突破100件;中國在2004年前在氫發動機技 術專利申請數極少,在2005~2007年間,中國在發動機燃氫技術方面的研究得到飛速發展,專利數量迅速增加,在之后一直呈現良好的發展趨勢,并于2010年專利數達到50件。

2007年福特氫燃料V-10發動機正式投產,福特汽車公司成為世界首個正式生產氫燃料發動機的汽車制造商;2007年,中國首臺由企業制造的高效、低排放氫發動機在重慶長安汽車集團成功點火;2008年,清華大學劉海權等人利用一臺增壓天然氣發動機改造的成氫發動機對其不同運行工況下的燃燒特點進行了總結發現;2008年,劉福勇教授等人將一臺汽油機成功改造成氣道噴射式氫發動機;2009年,北京理工大學氫內燃機團隊成功開發出中國第一輛氫內燃機轎車,并成功行駛超過1萬公里;2013年,孫百剛教授等人研發了氫發動機的循環變動特性;2018年4月,英國利物浦企業ULEMCo和Innovate UK合作,成功改裝沃爾沃FH16卡車為氫內燃機卡車,使卡車的實際續航里程達到了約180英里且零排放;2021年4月中國一汽首臺氫發動機點火儀式在北京理工大學舉行;2021年9月5日,廣汽集團自主研發的首款氫氣發動機點火成功;2021年12月21日,玉柴集團在北京理工大學正式發布中國首臺商用車燃氫發動機YCK05,并成功點火運行;2022年2月,康明斯發動機與Werner共同宣布,將啟動康明斯15升氫內燃機運營驗證。

工作原理

氫燃料汽車的基本工作原理均是將氫的化學能轉換為機械能,只不過氫發動機汽車是通過燃燒內燃機中的氫來產生熱能,然后將化學能轉換為機械能;而氫燃料電池汽車則是通過燃料電池中的氧與氫反應來為汽車不斷提供電能。下面是兩類氫燃料汽車的具體工作原理:

氫燃料電池汽車

氫燃料電池汽車的工作原理是將氫氣送到燃料電池的陽極板(負極)經過催化劑(鉑)的作用,氫原子中的一個電子被分離出來,失去電子的氫離子(質子)穿過質子交換膜,到達燃料電池陰極板(正極),而電子是不能通過質子交換膜的,這些電子只能經外部電路到達燃料電池陰極板,從而在外電路中產生電流。電子到達陰極板后,與氧原子和氫離子重新結合為水。由于供應陰極板的氧可以從空氣中獲得,因此只要不斷地給陽極板供應氫給陰極板供應空氣,并及時把水蒸汽帶走就可以不斷地提供電能。燃料電池發出的電,經逆變器、控制器等裝置,給電動機供電,再經傳動系統、驅動橋等帶動車輪轉動,就可使車輛在路上行駛。

氫發動機汽車

氫發動機汽車是把氫氣作為發動機的燃料,其燃燒產生的產物是水。氫發動機多以預混燃燒方式為主,即通過布置在進氣總管或進氣歧管上的噴射器將低溫氫氣噴射入缸內,后經火花塞點燃缸內預先混合好的氫氣和空氣,其結構與工作原理和傳統的汽油機基本相同,同樣是將化學能轉化為機械能,只是燃料變成了氫氣而非化石燃料。氫的自燃點較高,其溫度高于汽油、液化石油氣以及醇類等燃料,這有利于壓縮比的提高,進而促進氫內燃機熱效率的提高;同時這一特性也決定了氫內燃機很難像柴油機那樣采用壓燃式點火,而適宜于火花塞點火。

基本構造

氫燃料電池汽車

氫燃料電池汽車的主要組成部分包括氫氣儲存罐、氫氣供應系統、氫燃料電池系統等。

氫氣儲存罐

氫氣儲存罐用于存儲氫氣。車用儲氫瓶的類型主要以鋁內膽纖維纏繞(三型)和塑料內膽纖維纏繞(四型)為主。

氫氣儲存罐最早為純金屬儲氫罐;后來為了進一步降低儲罐質量,人們利用具有一定剛度的塑料代替金屬,制成了全復合輕質纖維纏繞儲罐,即塑料內膽型儲存罐;并朝著輕量化、高壓力、大容量的方向發展,以無內膽纖維纏繞類型(五型)作為下一代儲氫瓶的研發重點。

氫氣供應系統

氫氣供應系統負責將氫氣輸送到氫燃料電池系統中。氫氣供應系統由瓶口閥、過流閥、過濾器、減壓閥、泄壓閥、截止閥、氣水分離器、氫氣循環泵及管路和接頭組成,根據系統需求不同還配有單向閥、阻火器和噴射器等。

氫燃料電池系統

氫燃料電池系統將氫氣氧氣通過電化學反應轉化為電能,電能再驅動電動機運行,控制系統則對整個系統進行控制和監測。

氫發動機汽車

氫發動機汽車的構造、外觀、聲音、工作方式與普通內燃機汽車基本一致,與普通內燃機汽車的主要區別就是發動機不同,且傳統內燃機的大部分零件氫內燃機都可以通用。

氫發動機

相較于傳統內燃機汽車的一般發動機使用的燃料是柴油或汽油,氫發動機汽車的氫發動機使用的燃料是氣體氫,排放出的是純凈水,其具有無污染、零排放、儲量豐富等優勢。其氫內燃機保留了傳統內燃機的主要結構和系統,傳統內燃機的大部分零件氫內燃機都可以通用,包括缸體、曲柄、氣缸蓋、點火系統、安裝部件等。只要把原本的燃油系統替換掉,通過合理的燃燒匹配變換后,處理器傳統的汽油機或者柴油機就改制成為氫內燃機。

傳統內燃機的結構、工作原理和性能:往復活塞式內燃機的組成部分主要有曲柄連桿機構、機體和氣缸蓋、配氣機構、供油系統、潤滑系統、冷卻系統、起動裝置等。氣缸是一個圓筒形金屬機件。密封的氣缸是實現工作循環、產生動力的源地?;钊M由活塞、活塞環、活塞銷等組成。曲軸的作用是將活塞的往復運動轉換為旋轉運動,并將膨脹行程所作的功,通過安裝在曲軸后端上的飛輪傳遞出去。

內燃機的工作循環由進氣、壓縮、燃燒和膨脹、排氣等過程組成。這些過程中只有膨脹過程是對外作功的過程,其他過程都是為更好地實現作功過程而需要的過程。按實現一個工作循環的行程數,工作循環可分為四沖程和二沖程兩類。四沖程是指在進氣、壓縮、膨脹和排氣四個行程內完成一個工作循環,此間曲軸旋轉兩圈。二沖程是指在兩個行程內完成一個工作循環,此期間曲軸旋轉一圈。

內燃機的性能主要包括動力性能和經濟性能。動力性能是指內燃機發出的功率(扭矩),表示內燃機在能量轉換中量的大小,標志動力性能的參數有扭矩和功率等。經濟性能是指發出一定功率時燃料消耗的多少,表示能量轉換中質的優劣,標志經濟性能的參數有熱效率和燃料消耗率

關鍵技術

氫燃料電池汽車

氫燃料電池技術

氫燃料電池技術原理:氫燃料電池作為一種新的綠色能源技術,通過電化學反應直接轉化為電能,轉化過程不受卡諾循環限制。其單體結構主要由陽極、陰極、質子交換膜和雙極板組成,其中陽極為氫電極,陰極為氧電極,兩電極間是電解質。其中燃料是指氫氣,反應物質(氫氣、氧氣)在電化學反應過程中不斷地被消耗從而產生電能。

氫燃料電池主要有四類:磷酸燃料電池(PAFC)、熔融碳酸根燃料電池(MCFC)、固體氧化物燃料電池(SOFC)和聚合物質子膜燃料電池(PEMFC)。

其中,質子交換膜燃料電池(PEMFC)易于實現小型化,并且能量轉換效率高、低溫啟動性能好、可輸出電流大、工作噪音小,因此最適合汽車搭載。

整車控制技術

氫燃料電池汽車需安裝整車控制器(VehicleControl UNI-T,VCU),以協調車輛各個分系統的正常工作。VCU是氫燃料電池汽車的核心控制部件,相當于整車的智能管家,其控制原理為:采集車輛各個控制器信號,對信號作出分析和判斷,接著通過 CAN 總線把這些指令發送給相應的電器模塊,最后各個控制器根據接到的指令執行相應的動作。VCU具體包括以太網、CANFD、多核芯片、雙核心、OTA等關鍵技術,是支撐汽車實現電動化、智能化、網聯化和共享化不可或缺的技術。

氫發動機汽車

氫發動機

氫氣發動機的原理與燃油內燃機相同,是一種通過燃燒釋放反應氣體的化學能,通過氣體膨脹做功的動力設備。氫發動機有2個主要的技術方向:純氫發動機與摻氫發動機。純氫發動機,雖然可以通過延遲點火正時來效緩解與控制回火等不正常燃燒現象,但是由于純氫發動機對儲氫技術有著很高的要求,在氫氣加油站較少的階段,純氫發動機難以得到推廣。摻氫發動機,由于主要是將氫氣與其它燃料摻混使用,氫氣消耗量減少導致儲氫難度降低,并且可以通過改變氫氣比例來解決與改善各種問題,因此相對于純氫發動機來說更為實用,主要有天然氣摻氫,汽油摻氫,醇類摻氫,天然氣摻氫。

氫氣的制備、存儲技術

因為電廠配備水電解制氫設施能夠消納垃圾電,所以氫氣的制備選擇電解水制氫法。氫氣的儲存方式有四種:高壓氣態儲存、低溫液態儲存、固態吸氫材料儲存和有機液態儲氫。

其中,固態吸氫材料儲氫在氫燃料汽車方面主要使用的是利用儲氫合金(金屬氫化物)來儲存氫氣。儲氫合金是一類能在一定條件下吸釋氫的功能材料,與液態和氣態貯氫法相比,儲氫合金貯氫密度大,對于解決氫的貯存和輸運問題。儲氫合金的儲氫性能一般由其PCI(壓強Composition-Isothermal)曲線和吸/放氫動力學曲線來表征。前者反映了合金儲氫的溫度、壓力條件和儲氫量。后者反映儲氫的速率。貯氫合金主要有四類:稀土系(AB5型)、Ti-Fe系、Laves相系(AB2型)和Mg系。

加氫站的配套設施技術

要實現氫能源汽車的產業化發展或者大規模應用,就必須完善加氫站等配套設施的建設。加氫站的氫氣來源有兩種:站外購入和站內自制。前一種結構配置相對簡單,建造成本較低,建造周期也較短,適建地區廣泛。后一種目前普遍采用天然氣或甲醇重整制氫,占地面積大,技術較復雜,短期內能滿足較大的加氫需求,但長期來看不利于環保;也可采用電解水站內制氫,此類加氫站更適合與風電站或者太陽能電站形成配套來生產氫氣。

站外購入獲取氫氣的方式需要借助交通工具將氫氣從制氫廠運輸到加氫站。若采用氣態氫拖車運輸,為了運輸過程中的安全,管狀容器的儲氫壓力不得高于20Mpa,所以還需經過站內的氫氣壓縮機增壓至35Mpa以上才能達到加注標準。若采用液氫罐車運輸,輸送至加氫站儲罐內的液態氫還需經蒸發器汽化,再經壓縮機增壓后才能為氫能源汽車加注。

主要分類

氫燃料汽車主要可分為氫發動機汽車和氫燃料電池汽車。其中,氫發動機汽車的分類與普通內燃機基本一致。而氫燃料電池汽車根據燃料電池的類型可以分為磷酸燃料電池型、熔融碳酸根燃料電池型、固體氧化物燃料電池型和聚合物質子膜燃料電池型四類;根據車型又可以分為乘用車、客車、卡車等。

車型分類

由于氫燃料電池乘用車發展較慢,不單獨細分應用場景??蛙囍饕譃?個應用場景,城市公交、長途客運、短途客運。3種應用場景以10.5米城市公交車、11米客車、8.5米客車為主。卡車的應用場景非常多,按噸位主要分3個應用場景,分別為輕卡物流運輸,重卡貨運、中卡環衛,分別對應的車型為4.5噸廂式物流車、49噸牽引車(整備質量加準拖掛車總質量為49t)、18噸洗掃車。

具體車型

配套設施

加氫站

加氫站是給燃料電池汽車提供氫氣的燃氣站。最早的氫氣加注站可以追溯到1980年代位于美國Los Alamos的加氫站。加氫站按照供氫方式可以分為兩大類,一類是外供氫加氫站,另外一類是站內制氫供氫加氫站。外供氫加氫站采用氫氣長管拖車運輸、管道輸送后供氫。站內制氫供氫加氫站則自備制氫系統,將制得的氫氣經純化、壓縮后進行存儲、加注。按照氫氣的狀態可以分為氣態儲氫加氫站(氣氫加氫站)和液氫加氫站,國際上約1/3的加氫站為液氫加氫站。

大興國際氫能產業園加氫站位于大興區國際氫能示范區西南角,是全球最大的加氫站,占地面積7000余平方米,共有8臺加氫機、16把加氫槍,日加氫量可達4.8噸,可滿足500輛~600輛用氫車輛的加氫需求。

截止2022年5月,中國已累計建成加氫站超過250座,約占全球數量的40%,居世界第一。截至2023年6月,全球共有超過1100個加氫站對外運營(2022年加氫站數量首次突破1000)。

應用領域

交通

2015年3月19日,中車青島四方機車車輛股份有限公司研制的世界首列氫燃料電池有軌電車下線。該車采用模塊化設計,有效結合氫燃料電池與現代有軌電車的優點,不僅解決了常規有軌電車需架設接觸網以及普通儲能式有軌電車續航里程短的問題,而且不影響城市景觀,無需沿途設置充電站,節約了整體投資成本。

2022北京冬季奧林匹克運動會會示范運行超1000輛氫能源汽車,車型包括氫燃料電池大巴、氫燃料電池小轎車、氫燃料電池特種車等,并配備30余個加氫站,是全球最大規模的一次燃料電池汽車示范應用。氫能源汽車的耐低溫、續航能力長、充電時間短、減排效果明顯等優點在北京冬奧得到充分體現。

2023年7月13日,埃德蒙頓機場與豐田加拿大公司聯手,在加拿大阿爾伯塔省的道路上投放100輛豐田Mira氫燃料電池汽車,旨在幫助機場實現到2040年實現凈零排放的目標,同時也是為了推動艾伯塔省的氫能源生態系統的發展。

物流運輸

嘉興市嘉興港首批投運的氫能重卡,在替代原來的柴油重卡后,運行的成本比柴油車低10%左右。

2022年,福田智藍向北京順億達運力科技集團有限公司交付了100輛氫燃料電池冷藏車,并投入運營。對助力“雙碳”目標的實現,深入推進能源生產和消費革命,構建清潔低碳、安全、高效的能源體系具有重要意義;且氫燃料電池車采用電機驅動,在駕駛中無需頻繁換擋,降低司機的駕駛強度的同時,也間接提高了運營過程中的安全性;此外,氫燃料電池車的噪音相比傳統燃油車也大幅降低,大大緩解配送過程中的噪音擾民問題。

2023年1月17日,別克商用車公司1月16日宣布與英國超市森寶利成功完成為期三個月的19噸氫動力冷藏卡車試驗。該冷藏卡車通過Element 2為車輛提供的加注,一次加注氫氣后,其每天的運行里程約為320英里。實現了常規運輸路線的零碳排放。

發展趨勢

氫燃料電池汽車

隨著全球對環境保護的重視和對新能源汽車的需求增加,氫燃料電池汽車作為一種新型清潔能源汽車,成為了全球汽車產業的研究熱點和發展方向。

主要發展方向

提升相關技術水平

一是指氫燃料電池系統的性能提升,主要指向膜電極組件和雙極板:將聚合物進行改性,以便代替現今價格高昂的全氟磺酸膜;降低催化劑中Pt的含量,提高利用率;用金屬和石墨礦復合制成的復合雙極板以替代脆性大的石墨雙極板。二是指氫氣儲存技術的創新。三是指氫燃料電池汽車的系統集成優化,從而,提高整車的性能和可靠性。

加快氫燃料基礎設施建設

通過優先發展氫燃料電池客車或公交車,并采用適當的手段將加油站改造成加氫站或現有加油站加裝儲氫裝置等方式,加大對氫燃料基礎設施建設的支持力度,推動建設氫氣站、氫氣管道等基礎設施,為氫燃料電池汽車的推廣和應用提供保障。

形成氫燃料產業鏈

通過建設氫燃料電池汽車產業園區,兼顧整條產業鏈的上中下游(上游包括氫氣的制備和儲運技術,中游包括加氫站等配套設施的建設,下游包括氫燃料電池技術的研發),建立完整的產業鏈條,形成完整的產業生態系統,為企業提供生產、研發、測試等多種服務和支持,提高產業的整體效益和競爭力。

面臨的挑戰

成本高

雖然自1990年以來氫燃料汽車的燃料電池制造成本已降低了95%,但仍是內燃機的5倍。而且作為主力的質子交換膜燃料電池需要用貴金屬鉑做催化劑,而鉑又容易失效。而且,氫燃料電池所使用的催化劑和零部件成本較高,氫氣的制取和儲運成本相對較高。此外,與傳統汽車的技術成本相比,氫動力汽車的技術成本要高出20%。

基礎設施不足

以中國為例,雖然中國加氫站數量位居全球第一,但加油站數量也已突破12萬座,從數量上來看,加氫站只有加油站數量的千分之三,目前還不能為氫燃料電池汽車的普及提供充分支持。

氫發動機汽車

主要發展方向

提升氫發動機的相關技術水平:一是改進燃料噴射系統,采取缸內高壓直噴技術,探討高壓噴射系統, 進氣系統與燃燒室之間的優化匹配,實現氫和空氣的高效混合;二是加大對先進電控系統的研究,實現氫發動機工作過程的優化;三是發展氫發動機先進的優化控制技術,不斷提高氫發動機的功率和熱效率,降低NOx的排放。

面臨的挑戰

氫發動機汽車的技術難點主要表現氫氣發動機的早燃、爆燃和回火三個方面。此外,與氫燃料電池電動汽車一樣,限制其規?;?、產業化發展的主要瓶頸同樣是氫的制取、儲存及攜帶成本過高、基礎設施建設投資過大的問題。且氫燃料內燃機仍處于初期的實驗室研發狀態,是否應該大力推廣發展、氫燃料內燃機的技術可行性、成本、經濟性、配套設施建設等問題需要進一步評估。

相關標準

1990年,國際能源機構制訂氫能和燃料電池研發和示范實施協議。其目的是為了整合全球氫能技術資源,推動和實現制氫、儲氫、能量轉換、氫能安全、集成系統和基礎設施的技術進步,實現具有全球經濟競爭力的氫能系統,以提高能效,保證能源安全,保護環境。

2003年,由美國、法國、德國、日本、中國等15個國家和歐盟發起成立“氫經濟國際關系伙伴計劃(IPHE)”,旨在建立一種國際合作機制,推動氫能技術研發和規范化使用。次年,德國政府出臺《國家可持續發展戰略報告》(Die Deutsche Nachhaltigkeitsstrategie),制定了“燃料戰略-替代燃料和創新驅動方式”,明確提出“燃料戰略”的四項舉措:優化傳統發動機、合成可再生燃料、開發混合動力技術和發展燃料電池。

2005年,歐盟和美國聯合啟動“eMobility”聯合工作計劃,旨在加強歐美在電動汽車標準制定上的協調和兼容。

2008年11月初,歐盟、歐洲工業委員會和歐洲研究社團聯合制訂2020年氫能與燃料電池發展計劃,將在燃料電池和氫能研究、技術開發及驗證方面投資10億歐元,以實現氫能在燃料電池利用上 的技術突破。次年11月,美國與中國聯合發表“中美電動汽車倡議”,共同推進電動汽車的標準化、驗證實驗及技術藍圖規劃,2010年8月中美雙方對其進行系統研討,2011年8月中國科技部與美國能源部共同舉辦第四屆美中電動汽車與電池技術研討會,就電池技術發展規劃、標準及聯合行動計劃進行研討與磋商。

2017年4月,中國工信部聯合國家發展改革委、科技部印發了《汽車產業中長期發展規劃》,明確指出“著力推進先進燃油汽車、混合動力汽車和替代燃料汽車的研發工作”。

2020年11月,中國國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》,提出,到2035年,新能源汽車新車銷售量達到汽車新車銷售總量的20%左右,燃料電池汽車要實現商業化應用。

2021年1月,美國能源部(DOE)發布了《氫能計劃發展規劃》。該方案更新了DOE早在2002年發布的《國家氫能路線圖》以及2004年啟動的“氫能計劃”提出的戰略規劃,綜合考慮了DOE多個辦公室先后發布的氫能相關計劃文件,明確了氫能發展的核心技術領域、需求和挑戰以及研發重點,并提出了氫能計劃的主要技術經濟指標;2月,羅馬尼亞宣布制定氫電國家戰略,意味著羅馬尼亞將逐步放棄煤炭能源生產;4月,中國國家市場監督管理總局、中國國家標準化管理委員會發布《燃料電池電動汽車加氫口》標準,增加了燃料電池電動汽車的耐臭氧老化性測試、耐鹽霧腐蝕性測試、耐溫度循環性測試、兼容性測試、70MPa加氫口尺寸、、加氫口防凍設計的資料性附錄,修改了35MPa加氫口的加工要求,刪除了消除靜電設計、材料的氫脆要求、檢驗規則章節和25MPa加氫口的尺寸設計等項;同月,中國工信部發布了《關于實施四項新能源汽車國家標準的通知》,通知指出,將新發布的GB/T 18386.1-2021《電動汽車能量消耗量和續駛里程試驗方法第1部分:輕型汽車》、GB/T 19753-2021《輕型混合動力電動汽車能量消耗量試驗方法》、GB/T 26779-2021《燃料電池電動汽車加氫口》、GB/T 32694-2021《插電式混合動力電動乘用車技術條件》四項標準列為新能源汽車產品準入專項檢驗項目的依據標準,與《新能源汽車生產企業及產品準入管理規定》(工信部令第39號)中新能源汽車產品專項檢驗項目依據標準并行實施;7月,中國住房和城鄉建設部關于發布國家標準《汽車加油加氣加氫站技術標準》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條(款)為強制性條文,必須嚴格執行;10月,美國推出支持氫技術的一攬子計劃,旨在支持能源密集型行業采用氫,并在氫價值鏈的多個階段提供關鍵支持,希望解決高價值、最終用途的應用,以及運輸、儲存和輸送氫所需的基礎設施建設;12月,韓國首次發布氫經濟發展計劃,計劃表示截至2050年,韓國將在全國建立2000座加氫站,這意味著韓國在2050年時氫能將成為超越石油的最大能源。

2022年10月,中國國家市場監督管理總局、國家標準化管理委員會正式批準發布了GB/T 31138-2022《加氫機》國家標準,規定了加氫機的技術要求、試驗方法、標志、包裝、運輸和貯存、安裝、維護的要求,為加氫機的設計、生產、制造、檢驗、安裝與維護提供標準依據,將進一步規范和提升加氫機產品質量,助力氫能產業高質量發展。同年12月,中國工信部發布了《燃料電池汽車測試規范》規定了燃料電池發動機常溫啟動特性低溫冷啟動特性穩態特性、動態響應特性、動態平均效率、高溫運行試驗、氣密性測試、絕緣電阻測試、質量及功率密度測試等試驗方式。

2023年6月,中國《車用高壓儲氫氣瓶組合閥門》國家標準正式發布。該標準規定了組合閥門的基本型式、技術要求、試驗方法與合格指標、檢驗規則、標志、包裝、運輸、貯存等要求。適用于公稱工作壓力不大于70MPa、工作溫度為-40C~85C、安裝在道路車輛上作為燃料箱的車用高壓儲氫氣瓶用組合閥門。

市場情況

中國

2022年3月,國家發展改革委、國家能源局聯合印發了《氫能產業發展中長期規劃(2021-2035年)》,明確充分發揮氫能清潔低碳特點,推動交通、工業等用能終端和高耗能、高排放行業綠色低碳轉型。與此同時,持續推進的燃料電池示范應用補貼政策及地方氫能產業政策規劃不斷完善。國家通過開展燃料電池汽車示范城市群建設、推進氫能高速建設等措施推動氫燃料電池汽車應用。京津冀等區域已基本實現氫能全產業鏈貫通,截至2024年10月,累計推廣燃料電池車輛超過6000輛。

據不完全統計,截止2021年國內已經有21個省級、69個市級出臺了相應的氫能規劃,省級規劃中,到2025年氫燃料電池汽車合計推廣11.1萬輛,加氫站超過1000座。2022年春節后多地加碼布局氫能賽道,一批項目加速啟動。例如,江蘇常州市提出,要領跑氫能產業發展,聚焦氫能源“制儲運用”環節,精心打造“常州氫灣”,8個氫能產業項目率先簽約。上海市明確在公交、客運、重型貨運、環衛等領域開展氫燃料電池汽車商業性示范應用,到2025年,建成并投入使用各類加氫站超過70座,燃料電池汽車應用總量突破10000輛。隨著國內技術進步以及規?;寞B加,燃料電池商用車2025年成本有望較目前下降30%。隨著成本的降低和經濟性的恢復,預計2023年氫燃料電池車可實現8000-10000輛的產銷量,以此估算合理新增的加氫站應該在85-100座。展望“十四五”,國內氫燃料電池汽車有望完成從產業導入期到量產的階段,預計2025年全國保有量有望達到8萬輛。中國汽車工程學會編制的《節能與新能源汽車技術路線圖2.0》預測,到2035年氫燃料電池車保有量將達到100萬輛左右,未來發展空間巨大。

國際

隨著世界各國先后發表“2050年碳中和”目標,全球車企紛紛加快向氫能汽車市場邁出的步伐。據推測,2030年,全球氫能汽車市場有望快速增至2千萬輛。

雷諾集團表示,以占據歐洲中小型商用車30%以上的市場份額為目標,計劃與世界最大的氫能電池生產企業PLUG合作,在法國成立公司,建設氫燃料電池系統和最尖端的氫能汽車生產線。從2021年起生產5-6噸重量的運輸用氫能汽車,10年內將年生產規模提高到數萬輛。2021年初,韓國SK集團投資1.6萬億韓元(約合15億美元),收購了PLUG9.9%的股份。

日本豐田2020年12月收購了葡萄牙客車制造企業卡埃塔諾客車公司的股份,開始搶占歐洲氫能客車市場,并計劃在歐洲設立統管全球氫能電池業務的新公司——“Pure Cell商務集團”,負責銷售氫能汽車和與各國政府、機構合作。豐田汽車還通過子公司,與美國商用車企業肯沃斯達成合作協議,開發氫能卡車,進軍北美市場,并于2020年12月推出了新型氫能汽車,產量比現有車型提高了10倍。

奔馳的母公司德國梅賽德斯-奔馳集團于2020年6月與沃爾沃合作成立了合作公司,于2023年推出首輛氫能卡車概念車“GenH2”。

通用汽車汽車(GM)2020年9月收購了Nicolas11%的股份,并達成向Nicolas提供燃料電池技術的協議。

現代汽車集團計劃2030年前,分別向歐洲、美國、中國出口2.5萬輛、1.2萬輛、2.7萬輛“Exiant氫能卡車”。2021年7月,由其開發的氫能卡車將與CJ物流、Coupang、現代Glovis合作,投入物流運輸。并計劃推出新的氫燃料電池品牌“HTWO”,擴大氫燃料電池系統工程,在2030年銷售70萬個氫燃料電池。

部分制造商

豐田

早在1992年,豐田就啟動了對氫燃料電池車的研發。2014年,豐田汽車日本推出世界首款量產氫燃料電池車型MIRAI;2020年在日本又推出了第二代MIRAI,新車將氫氣搭載量提升約20%,并實現了WLTC工況最高續航里程約850km,較上一代車型提升約30%;于2015年1月無償提供5680項燃料電池相關專利的使用權;自2019年起在中國全面開啟氫燃料電池技術和產品的推廣和普及;2021年,豐田攜手中國合作伙伴聯合開發及生產的首款商用氫燃料電池系統產品TL Power 100;2022年北京冬季奧運會冬季殘疾人奧林匹克運動會期間,豐田汽車提供了247輛氫燃料電池車,這是中國首次氫燃料電池車車型在大型活動上的大規模應用。

寶馬

1979年,寶馬集團推出了首款以氫為動力的研究車輛BMW 520h;1997年,首次研發出自己的燃料電池;2006年,世界上第一款供日常使用、接近零排放的氫動力驅動寶馬氫能7系豪華高性能轎車亮相柏林;2013年,開始測試寶馬集團第一輛燃料電池電動汽車;2022年3月份,寶馬iX5 氫燃料電池汽車在位于瑞典阿爾耶普盧格的寶馬集團冬季測試中心接受了嚴苛的極寒耐力測試;2022年,寶馬集團計劃將基于BMW X5車型對氫燃料電池動力系統實驗性地進行小規模量產。

參考資料 >

寶馬集團公布BMW i Hydrogen NEXT氫燃料電池技術細節.寶馬集團.2024-01-19

【十萬個為什么】氫燃料電池車你了解多少?.上??茀f微信公眾平臺.2024-04-18

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氫內燃機探索悄然興起.國際氫能網.2024-01-24

氫氣內燃機有望納入氫能發展戰略.人民網.2024-01-19

一文帶您了解氫內燃機技術及發展歷程.電子技術應用.2024-01-24

氫能源汽車的關鍵技術分析及對策探討.能源研究會.2024-01-13

氫內燃機來了!“點燃”中國的潔凈動力.微信公眾平臺.2024-04-19

儲氫罐怎么做?來看看豐田最新專利怎么說!.維科網.2024-01-24

氫燃料電池車關鍵技術——SiC與儲氫罐(附各企業儲氫罐).北極星電力新聞網.2024-01-24

燃料電池車載氫氣供給系統概述.國際氫能網.2024-01-24

燃料的未來:氫發動機汽車的潛力與挑戰.焦作文明網.2024-04-19

智能網聯新型整車控制器(VCU)的核心技術解讀.華夏EV.2024-01-24

氫氣發動機是個啥?能否成為未來一條技術路線.維科網.2024-01-19

儲氫合金.華南理工大學.2024-01-13

氫動力汽車和燃料電池汽車到底有什么不同?.氫啟未來網.2024-01-19

未勢能源持續推動氫能公交場景應用.新浪網.2024-01-24

“氫能”當道,宇通環衛攜全新車型亮相鄭州國際新能源汽車博覽會.宇通.2024-01-24

全球范圍內加氫站建設信息盤點.國際氫能網.2024-01-13

關于國內加氫站,看這篇就夠了.國際氫能網.2024-01-13

大興國際氫能示范區瞄準世界一流氫產業高地.國家能源局.2024-01-13

實地探訪全球最大加氫站!就在大興!.北京市大興區人民政府.2024-01-13

“北京冬奧”點燃氫能源汽車革命.騰訊網.2024-01-19

投放100輛氫動力汽車!埃德蒙頓國際機場攜手豐田助力凈零排放.氫啟未來網.2024-01-24

“氫”裝上陣!運行成本降10% 氫能重卡突破3000輛.新華網.2024-01-14

氫燃料物流車開啟商用步伐,三大難題有待破解.騰訊網.2024-01-19

別克宣布與英國超市合作的氫動力汽車試驗成功.氫啟未來網.2024-01-24

國際能源署氫能實施協議( IEA-HIA ) 簡介.能源技術信息網.2024-01-24

國務院辦公廳印發《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》.中國政府網.2024-01-19

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羅馬尼亞宣布制定氫電國家戰略.氫啟未來網.2024-01-19

最新《燃料電池電動汽車加氫口》標準出臺 將于今年國慶實施.氫啟未來網.2024-01-19

關于實施四項新能源汽車國家標準的通知.中國汽車工業協會.2024-01-19

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兩黨推出支持氫技術的一攬子計劃.氫啟未來網.2024-01-19

韓國首次發布氫經濟發展計劃,將成為超越石油的最大能源.氫啟未來網.2024-01-19

【標準】新版《加氫機》國家標準正式發布并實施.氫啟未來網.2024-01-19

標準號:GB/T 24554-2022.國家標準全文公開系統.2024-01-19

適用70MPa!《車用高壓儲氫氣瓶組合閥門》國家標準正式發布.氫啟未來網.2024-01-19

氫能賽道成投資“新寵” 燃料電池汽車產銷量翻番.福建省工信廳.2024-04-18

推廣燃料電池車輛超6000輛 京津冀氫能全產業鏈基本貫通.新華網.2025-11-04

全球整車企業激烈爭奪氫能汽車市場主導權.中華人民共和國商務部.2024-04-18

豐田與中國伙伴合作共建氫能社會 以先進技術助益碳中和目標.經濟觀察網.2024-01-24

試駕氫能源先驅轎車MIRAI,感受“負排放”汽車的駕控體驗.新華網.2024-01-19

氫動力引領未來--BMW氫能7系:世界首款供日常使用的氫動力豪華高性能轎車.寶馬官網.2024-01-19

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