燃料电池车的研发始于20世纪60年代,1966年美国通用汽车公司制造出了世界上第一辆氢燃料电池车,可容纳两名乘客,续航193公里,时速达113km/h,电池寿命1000h,限于成本、安全因素以及加氢设施等原因未能持续开发。
不过,美国一直高度重视氢气能源和燃料电池车的研发,1987年开展的电动汽车项目就包含燃料电池技术研发,并于1992年提出将燃料电池系统应用于运输。2003年,美国更是投入了高达12亿美元的研究经费,用于推进氢能和燃料电池技术,使车用燃料电池生产成本大幅下降。在整车研发方面,通用汽车公司1990年开始研究质子交换膜燃料电池在汽车上的应用。2001年10月,通用汽车推出“氢动三号”液态氢燃料电池车,续航里程达400km,最大功率60kW,乘员5人,最高时速130km/h,0~100km加速时间13s。
2005年,通用汽车研发的ChevroletSequel型燃料电池车,续航里程达480km,质子交换膜燃料电池可在-20℃下启动。2007年,通用汽车公司启动了Project Driveway计划,将100辆雪佛兰Equinox FCV交付消费者。
2009年,雪佛兰Equinox FCV的总行驶里程达到了160万公里。美国福特汽车公司于2005年制造的Chevrolet Equinox型FCV,续航 里程320km,该款车于2007~2008年在美国洛杉矶等城市投入115辆用于商务运行。2007年,福特汽车与美国俄亥俄州立大学、加拿大巴拉德动力系统公司以及Roush Racing公司联合制造出FusionHydrogen999世界上最快的燃料电池车,极速测试的最高时速达到207km/h。
三
我国的燃料电池车研发虽然起步较晚,但在国家“十五”、“十一五”和“十二五”规划,以及863计划和973计划等重大项目的支持下,燃料电池车的技术研发也取得了重大进展,正在逐步缩小与国外先进水平的差距。2003 年,在上海国际工业博览会上,同济大学推出我国第一辆燃料电池动力样车(超越一号),最高时速105.8km/h,续航里程231km,从0至80km/h加速时间为15.4s。上海汽车集团在荣威750的基础上,搭载超越燃料电池动力系统,组装出了上海牌燃料电池车,该车最高时速150km/h,续航里程300km,百公里时速加速时间15s。
在2008年北京奥运会、2010年上海世博会,以及2011年深圳大运会期间,北汽福田/清华、上海大众/同济、长安志翔,以及五洲龙等燃料电池汽车进行了示范运行。2012年1月,同济大学牵头成立了有多所大学、研究机构和汽车企业参加的“中国燃料电池汽车技术创新战略联盟”,集中国内燃料电池车研发和生产的优势力量,根据燃料电池车产业发展的技术需求,合作攻关、自主创新,促进了我国燃料电池车产业化进程。
2014年9月,大连新能源车展上,展示了由长城电工与上汽集团合作生产的国内首台取得销售许可的燃料电池车,最高时速达150km/h,续航里程达500km,标志着我国燃料电池车已进入了商业化。然而,与国外先进汽车生产企业相比,我国燃料电池车在可靠性、耐久性、低温启动以及供氢系统等方面还有较大差距。
四
欧盟对燃料电池车研发也高度重视。2001年,欧盟启动了“清洁能源伙伴计划”,拨款1850万欧元,支持伦敦等10个城市的FCB示范项目。2007年,欧盟又启动了“欧洲清洁城市交通项目”,进一步支持各个城市开展FCB示范运行。2009年,欧盟批准了燃料电池和氢能技术项目行动计划,从第7框架计划(2007-2012)中列支4.7亿欧元,持续资助燃料电池车及基础设施技术研发。由于政府支持和大量研发资金的投入, 欧洲在燃料电池车的可靠性和成本控制等方面进展迅速。
2012年,德国启动燃料电池及氢能国家创新计划,政府与汽车生产企业合资支持燃料电池车、氢能等关键技术研发。2015年,德国已在本国建成了50个加氢站,可以为5000辆燃料电池车加氢服务。20世纪80年代初期,奔驰汽车公司就开始了氢燃料电池的研发,后因工艺和技术问题一度停止。
近年来,随着科学技术的进步,奔驰又继续开始了氢燃料电池汽车的研发,并于2011年推出了36辆Citaro燃料电池客车,由20个运营商使用,运行时间140000h以上、行程超220万km。此外,2011年上海车展期,奔驰推出的B级燃料电池车也参加展出,其续航里程达到400km。2015 年,宝马汽车公司展示了5系GT燃料电池车,其动力系统和宝马i8燃料电池车一致,最大输出功率188kW,续航里程达483km,但该车型仅为研究车辆,尚无量产计划。
五
日本与韩国对于燃料电池车的研发水平,要领先于世界其他国家。日本的丰田、日产汽车公司和韩国的现代汽车公司研发的燃料电池车,耐久性与使用寿命,以及造价成本方面已超越了欧美。2005年,丰田推出的TOYOTA FCHV,续航里程达到560km,可在-37℃正常启动。
2014年,丰田推出FCHV-adv,并在日本市场销售,该车最大时速达160km/h,充气时间3min,最大续航里程830km,售价约合人民币37.6万元。2015年3月,FCHV-adv预售了1200辆,远超400辆的市场预期。
日本政府高度重视燃料电池车的推广使用,2015年丰田公司推出的 Mirai FCV,加满氢气仅用3min,续航里程650km,起步到时速60km只需1-2s,燃料消费约合人民币0.66元/km,该车上市就受到政府机构和企业界的热捧,仅一个月日本国内订单达1500辆。日产汽车公司于1996年开始燃料电池车的研发。
2005年,日产展示了X-Trail燃料电池车2005款型,最大功率90kW,最高时速150km/h,通过在该车上配备70MPa的高压储氢罐,开发出了最大续航里程500km的车辆。日产还与雷诺汽车公司合作投资了850亿日元开展燃料电池车的研发。2008年,本田汽车公司开始租售FCX Clarity燃料电池车,该车可在-30℃下正常启动,续航里程达620km。
2015年10月,本田推出一款燃料电池车,装备了70MPa氢气罐,3min可充满氢气,续航里程超过700km。其最大特点是实现了燃料电池堆的小型化,电能输出密度为3.1kW/L,达到当前世界最高等级。韩国现代汽车公司于1998年开始研发燃料电池车,是燃料电池车研发领域最早取得显著成绩的汽车制造商。
2000年,现代首次推出圣达菲燃料电池车,2006年利用自主研发的FC组装了30台运动型多功能车进行示范运行,随着对FC电堆性的不断改进,进行更新换代。2012年,现代推出第3代SUV型燃料电池车并进行全球示范。
2013 年,现代建成第一条燃料电池车生产线,实现ix35 FCEV首次量产,成为全球首家量产燃料电池车的汽车制造商。ix35 FCEV采用了输出功率100kW的FC系统,备有两个70MPa的氢瓶,能够储存5.63kg压缩氢气,可续航594公里,最高速度160km/h,可在-20℃以下正常启动行驶。
2014年,现代在美国加州举行ix35FCEV上市仪式,标志着量产燃料电池车在美国进入商业化阶段。目前,现代准备推出一款全新燃料电池车,外观设计借鉴ix35,这款全新SUV最高时速可达187km/h,续航里程850km,有望替代ix35。
燃料电池车的研究与开发利用一直受到高度重视,尽管车用燃料电池的寿命、成本、性能等还需进一步优化,但汽车企业已开始燃料电池车产业化准备,有的甚至宣布进入了量产阶段。相信,随着燃料电池技术和整车生产技术的进步,以及配套基础设施的建设与完善,燃料电池车的产业化进程将会更加广阔。
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