甄子健

(科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心， 北京 100044)

日本燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化技術(shù)及戰(zhàn)略路線圖分析

甄子健

(科學(xué)技術(shù)部高技術(shù)研究發(fā)展中心， 北京 100044)

經(jīng)過多年發(fā)展，日本的燃料電池汽車及加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)路線已逐步清晰，相對成熟，并將深刻影響世界燃料電池汽車技術(shù)路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。2015年初，日本豐田汽車公司成功上市世界首款燃料電池量產(chǎn)車型Mirai(未來)，標(biāo)志著日本燃料電池汽車已經(jīng)系統(tǒng)解決了相關(guān)技術(shù)和制造成本難題，車輛氫安全以及加氫站安全的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)體系也已基本完備，進(jìn)入了商業(yè)化階段。下一步，日本政府和相關(guān)行業(yè)組織提出了到2025年使燃料電池汽車保有量達(dá)到20萬輛的目標(biāo)，并準(zhǔn)備在2025～2030年期間構(gòu)建起大規(guī)模的穩(wěn)定氫供給系統(tǒng)，到2040年左右建立實現(xiàn)二氧化碳零排放的氫供給系統(tǒng)。政府的相關(guān)政策和戰(zhàn)略導(dǎo)向，將進(jìn)一步引導(dǎo)和推動燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

燃料電池汽車； 加氫基礎(chǔ)設(shè)施； 技術(shù)路線； 產(chǎn)業(yè)化

1 引言

經(jīng)過多年發(fā)展，日本的燃料電池汽車及加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的技術(shù)路線已逐步清晰，相對成熟，并將深刻影響世界燃料電池汽車技術(shù)路線和技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展。以2015年初日本豐田汽車公司成功上市世界首款燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化車型Mirai(未來)為新的起點，日本有關(guān)企業(yè)推動燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)產(chǎn)業(yè)的步伐明顯加快，政府也在通過制定相關(guān)發(fā)展戰(zhàn)略和配套政策措施，進(jìn)一步引導(dǎo)和推動燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展。

2 日本燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展及路線分析

日本燃料電池汽車的研發(fā)始于1990s年代。當(dāng)時，根據(jù)國際汽車技術(shù)變革的趨勢和自身技術(shù)創(chuàng)新的需求，豐田、日產(chǎn)、本田等汽車企業(yè)不約而同地展開了燃料電池汽車的研究開發(fā)，并將其確定為企業(yè)下一代汽車開發(fā)的戰(zhàn)略目標(biāo)，持續(xù)投入了大量的研發(fā)經(jīng)費、人力和物力。

經(jīng)過二十多年的不懈努力，日本在燃料電池汽車技術(shù)特別是燃料電池電堆技術(shù)方面取得了較大進(jìn)展，已經(jīng)系統(tǒng)解決了燃料電池汽車的技術(shù)和成本難題，并已建立了包括車輛氫安全以及加氫站安全在內(nèi)的燃料電池汽車相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系，依靠民間產(chǎn)業(yè)的力量和學(xué)界的智慧，跨行業(yè)推動了燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施新興產(chǎn)業(yè)的成長。

日本燃料電池汽車技術(shù)發(fā)展及其技術(shù)路線可匯總分析如下。

(1)經(jīng)過多年探索，其燃料電池汽車車載供氫系統(tǒng)技術(shù)路線，從最初同時探索車載甲醇重整制氫、儲氫合金儲氫、壓力容器儲氫，發(fā)展到現(xiàn)在普遍采用高壓氫瓶儲氫技術(shù)路線，而且逐步將儲氫壓力由開始的35MPa發(fā)展到目前的70MPa。其中，豐田已經(jīng)上市和本田、日產(chǎn)即將上市的燃料電池轎車均采用70MPa車載供氫系統(tǒng)，而豐田即將投入示范運行的燃料電池客車和馬自達(dá)開發(fā)中的氫發(fā)動機混合動力轎車則仍然采用35MPa系統(tǒng)。

(2)各汽車廠家開發(fā)燃料電池汽車采用的燃料電池電堆，從開始幾年靠外協(xié)供應(yīng)發(fā)展到后來由汽車公司自己開發(fā)生產(chǎn)，其電堆核心的膜電極組件始終采用的是固體高分子型燃料電池(PEFC)這一技術(shù)路線。

(3)目前，日本各企業(yè)研發(fā)或生產(chǎn)的燃料電池汽車普遍采用由燃料電池和動力蓄電池“電-電混合”的動力驅(qū)動系統(tǒng)，系統(tǒng)所用的動力蓄電池(用于制動能量回收等)，普遍選用鋰離子電池或鎳氫電池。選擇的因素除了電池性能的適應(yīng)性之外，各企業(yè)還考慮了自身產(chǎn)業(yè)技術(shù)體系的特點。例如，豐田燃料電池汽車是移植了其混合動力汽車用的鎳氫電池，日產(chǎn)燃料電池汽車則選用了其Leaf純電動車用的鋰離子電池，本田和馬自達(dá)有關(guān)車型采用鋰離子電池系統(tǒng)，這有利于不同新能源汽車之間產(chǎn)業(yè)化資源的共享。

(4)對于燃料電池汽車的車體類型，最初因為電堆及氫瓶等系統(tǒng)部件較大，日本各企業(yè)前期研發(fā)的燃料電池汽車大都是車體較大的SUV車型。后來，隨著技術(shù)進(jìn)步，動力系統(tǒng)逐步緊湊，多數(shù)廠家都將燃料電池量產(chǎn)車型定位在量大面廣的普通三廂乘用車，只有日產(chǎn)考慮利用本公司SUV車型的基礎(chǔ)和優(yōu)勢，準(zhǔn)備量產(chǎn)一款全時四驅(qū)的小型SUV燃料電池汽車。

(5)在全新開發(fā)燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的過程中，各家普遍采用了最新的IT技術(shù)、智能化技術(shù)，以發(fā)揮燃料電池汽車本身具有的電動化、電子化、智能化潛力，滿足車輛安全行駛、維保，與加氫基礎(chǔ)設(shè)施信息交互以及用戶群體對智能化的需求。

(6)近年以日本廠家為中堅，世界主要汽車廠商的燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)聯(lián)盟已經(jīng)建立，為此，歐美主要汽車廠家的技術(shù)路線也將與日本趨同。例如，豐田與寶馬，日產(chǎn)與戴姆勒、福特，本田與通用等，技術(shù)路線將非常接近。

(7)由于在研發(fā)及試驗考核方面做了大量工作，日本曾主導(dǎo)2013年6月頒布的世界安全法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)WP.29中燃料電池汽車的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)GTR13的制定工作[1]。這也為日本影響世界相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)制定，使其燃料電池汽車在海外市場具有更強的競爭力打下了基礎(chǔ)。

3 日本燃料電池汽車技術(shù)產(chǎn)業(yè)化分析

隨著汽車企業(yè)燃料電池汽車研究開發(fā)的進(jìn)展和技術(shù)路線的基本定型，2013年，日本政府有關(guān)部門經(jīng)過周密研討，修訂放寬了對于高壓氫氣在車輛及加氫站中的標(biāo)準(zhǔn)限定，并開始采取對燃料電池汽車和加氫站建設(shè)的大力補貼政策。目前，豐田汽車已在世界上率先實現(xiàn)了燃料電池汽車的商業(yè)化銷售，本田和日產(chǎn)也宣布，分別將在其后的2016年和2017年實現(xiàn)燃料電池汽車的商業(yè)化銷售，日本燃料電池汽車已經(jīng)開始邁入產(chǎn)業(yè)化門檻。

3.1 豐田燃料電池汽車技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

豐田汽車一直把節(jié)能環(huán)保汽車作為研發(fā)的重點，早在1996年10月就推出了在SUV車型基礎(chǔ)上開發(fā)的燃料電池實驗車。之后經(jīng)過幾代改進(jìn)，到2008年其燃料電池汽車能夠?qū)崿F(xiàn)冰點以下冷啟動，并開始批量面向日本和美國政府機關(guān)租賃使用。2015年，豐田的世界首款商業(yè)化銷售車型“Mirai(未來)”正式上市，翻開了世界汽車史上新的一頁。

豐田的“Mirai”汽車是一款全新設(shè)計的燃料電池三廂轎車，乘員4人，全車總重1850kg，采用了綜合豐田最新燃料電池技術(shù)及混合動力電驅(qū)動技術(shù)的燃料電池系統(tǒng)，最高車速175km/h，0～100km/h加速時間為9.6s，具有良好的乘坐舒適性、加速性能和操控穩(wěn)定性，能實現(xiàn)靜音零排放行駛。豐田“Mirai”燃料電池汽車可在-30℃室外停車?yán)鋯?，啟?5s后燃料電池輸出功率可以達(dá)到60%、啟動70s后輸出功率達(dá)到100%；該車可在3min內(nèi)完成加氫，一次加氫續(xù)駛里程700km。豐田燃料電池系統(tǒng)(TFCS)技術(shù)方案及相關(guān)參數(shù)如圖1所示。

圖1 豐田燃料電池系統(tǒng)技術(shù)方案及參數(shù)Fig.1 Technical parameter and scheme of TFCS

豐田“Mirai”燃料電池汽車核心部件燃料電池系統(tǒng)的技術(shù)水平也達(dá)到了新的世界高度。其電堆的體積比功率為3.1kW/L，比豐田自身2008年款燃料電池系統(tǒng)電堆的1.4 kW/L提高了2.2倍，并通過鉑金催化劑用量的減少、“內(nèi)循環(huán)”加濕、氫瓶改進(jìn)等，有效地降低了系統(tǒng)成本，其成本比2008年款“FCHV-adv”降低了20倍，成為使燃料電池汽車價格由1億日元(約合515萬元人民幣)減低到現(xiàn)在670萬日元、實現(xiàn)商業(yè)化銷售的關(guān)鍵因素。

另外，豐田“Mirai”燃料電池汽車，還充分結(jié)合了信息技術(shù)和能源技術(shù)的創(chuàng)新。如可以為用戶提供 “T-Connect”服務(wù)，可以通過V2H配套供電器為家庭等反向供電等。

3.2 本田和日產(chǎn)燃料電池汽車技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展

本田汽車在1999年9月公開了其第一款使用純氫燃料的“FCX-V1”車型(以本田SUV為基礎(chǔ)車，使用巴拉德公司燃料電池電堆)，以及使用車載甲醇重整制氫技術(shù)路線的“FCX-V2”車型(使用本田自己的燃料電池電堆)。之后經(jīng)過幾代樣車開發(fā)，本田于2014年推出了上市概念車型“FCV CONCEPT”，并于2016年3月實現(xiàn)了其三廂燃料電池轎車“CLARITY FUEL CELL”的商業(yè)化租賃銷售。

盡管本田燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的步伐比豐田慢了半步，但從其研發(fā)過程及發(fā)布的有關(guān)資料看，本田“FCV CONCEPT”燃料電池汽車的技術(shù)水平并不比豐田汽車低。例如，本田燃料電池汽車擁有與豐田“Mirai”大致相同的續(xù)駛里程、燃料電池電堆的體積功率密度、低溫冷啟動性能及車輛智能化應(yīng)用功能等。同時，本田的燃料電池汽車也有一些特點。例如，本田“FCV CONCEPT”燃料電池汽車升壓的轉(zhuǎn)換器采用了比較先進(jìn)的下一代碳化硅器件技術(shù)，“FCV CONCEPT”的乘員數(shù)比豐田“Mirai”的額定乘員多一人等。

日產(chǎn)汽車從1996年開始燃料電池汽車研發(fā)，1999年5月推出了其第一款使用甲醇重整氫燃料的FCEV(Fuel Cell Electric Vehicle)車型“R’NESSA”，并開始行駛試驗。2005年，日產(chǎn)推出了搭載70MPa高壓氫瓶的“X-TRAIL 05年款”，并搭載了日產(chǎn)自己開發(fā)的燃料電池電堆，該車加速性能已達(dá)到了傳統(tǒng)車的水平。2012年，日產(chǎn)推出了其上市概念車型“TeRRA”，該車集成了日產(chǎn)在SUV和FCEV方面的優(yōu)勢及以往基礎(chǔ)，并使用了日產(chǎn)比較成功的純電動車“Leaf”的量產(chǎn)電驅(qū)動技術(shù)和產(chǎn)品系統(tǒng)，準(zhǔn)備最早于2017年推出上市車型。

3.3 日本加氫設(shè)施建設(shè)及其裝備技術(shù)產(chǎn)業(yè)發(fā)展

到2015年2月，日本已在首都圈、中京圈、關(guān)西圈、北部九州圈四大都市圈(由高速公路、新干線相連的日本主要經(jīng)濟(jì)帶)，建成了45座商業(yè)化加氫站，其中包括29座固定加氫站、16座移動式加氫站。

日本通過整合相關(guān)產(chǎn)業(yè)技術(shù)資源，實現(xiàn)了制氫、儲氫加氫基礎(chǔ)設(shè)施技術(shù)與燃料電池汽車技術(shù)的同步發(fā)展，在氫能環(huán)境建設(shè)方面同樣達(dá)到了世界領(lǐng)先水平。

例如，JX日礦日石能源股份公司擁有日本最多的煉油廠，有雄厚的制氫、儲氫、送氫技術(shù)基礎(chǔ)，近年來又在加氫站整體集成技術(shù)及相關(guān)裝備技術(shù)方面做了大量研究，自身或與其他裝備供應(yīng)商合作進(jìn)行制氫、加氫產(chǎn)品的開發(fā)，參加了國家有關(guān)建站標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和有關(guān)產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的制訂及修訂工作。目前，JX日礦日石已在東京、崎玉、神奈川、愛知、九州、千葉等地建成22座加氫站，其中包括6座移動加氫站，2座站上重整制氫固定加氫站，14座外供氫加氫站。

再如神戶制鋼是世界頂級往復(fù)式氫壓縮機生產(chǎn)企業(yè)之一，其制氫工廠用20MPa氫充填壓縮機在日本市場所占份額最多。為配合日本燃料電池汽車加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)，神戶制鋼開發(fā)了一系列具有高技術(shù)含量的制氫/加氫專用裝備和材料，正在向商業(yè)化銷售發(fā)展[2]。在JX日礦日石能源建設(shè)的“海老名市中央加氫站”中，成套使用了神戶制鋼為其協(xié)作研發(fā)的高低壓壓縮機、加注機前置冷卻器和氫氣儲罐等裝備。

4 日本燃料電池汽車的未來發(fā)展戰(zhàn)略

在2006年前后，當(dāng)世界(主要是美國)對燃料電池汽車發(fā)展出現(xiàn)一些戰(zhàn)術(shù)性波動時，日本沒有受到影響，相繼發(fā)布了《2030年的能源戰(zhàn)略》、《下一代汽車發(fā)展戰(zhàn)略2010》、《汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展戰(zhàn)略2014》等6份發(fā)展戰(zhàn)略，特別是最近幾年進(jìn)一步加大了力度，把燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施作為日本“再興戰(zhàn)略”的重頭戲加以推進(jìn)。

在氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展戰(zhàn)略路線圖方面，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省于2014年6月發(fā)布日本《氫能、燃料電池戰(zhàn)略路線圖——加速組織實施、實現(xiàn)氫能社會》[3]，把日本下一步走向氫能社會的過程設(shè)計為三條主線：①快速擴(kuò)大氫燃料電池的利用(包括車用燃料電池和定置式熱電聯(lián)供燃料電池)，形成世界領(lǐng)先的燃料電池市場，其中計劃到2020年，燃料電池汽車及加氫價格實現(xiàn)突破，市場進(jìn)入迅速擴(kuò)大期；②加速技術(shù)開發(fā)與驗證，2025～2030年構(gòu)建起與氫(或其原料)供給國合作的大規(guī)模的穩(wěn)定氫供給系統(tǒng)，2030年左右實現(xiàn)氫能發(fā)電；③到2040年左右建立實現(xiàn)二氧化碳零排放的氫供給系統(tǒng)。

在燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略路線圖方面，日本燃料電池實用化推進(jìn)協(xié)議會(FCCJ)在其預(yù)測報告中，提出了“到2025年，日本燃料電池汽車保有量達(dá)到200萬輛”[4]的發(fā)展目標(biāo)，如圖2所示。

圖2 日本FCCJ提出的燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略路線圖Fig.2 FCV development strategy roadmap described by FCCJ

2016年3月22日，日本經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)省又公布了日本《氫能及燃料電池戰(zhàn)略路線圖》的修訂版，對原來由FCCJ提出的燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略路線圖進(jìn)行了最新調(diào)整[5]。其中，關(guān)于燃料電池汽車發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，該修訂版新設(shè)定了在2030年使日本燃料電池汽車發(fā)展到80萬輛的普及推廣數(shù)量目標(biāo)，同時還具體新設(shè)定了“到2020年普及燃料電池汽車4萬輛、到2025年普及燃料電池汽車20萬輛”的中期目標(biāo)；關(guān)于氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展戰(zhàn)略路線圖，該修訂版繼續(xù)保留了其2014年初版中氫能基礎(chǔ)設(shè)施發(fā)展大的節(jié)點目標(biāo)未變，同時具體新設(shè)定了支撐燃料電池汽車發(fā)展的“到2020年建立160個加氫站、到2025年建立320個加氫站”的配套建設(shè)目標(biāo)。

5 結(jié)論

燃料電池汽車及配套加氫基礎(chǔ)設(shè)施，是一項涉及面廣、前瞻性強、技術(shù)難度大、系統(tǒng)推進(jìn)要求高的重大技術(shù)創(chuàng)新。日本燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的發(fā)展之所以領(lǐng)先于世界各國，一方面與其大型能源與汽車企業(yè)強烈的技術(shù)創(chuàng)新意識和持續(xù)自行投入研發(fā)有關(guān)，另一方面則得益于日本政府持續(xù)推動燃料電池汽車發(fā)展的戰(zhàn)略導(dǎo)向和配套政策措施。我國始終對燃料電池汽車發(fā)展給予高度重視，在發(fā)展燃料電池汽車及加氫基礎(chǔ)設(shè)施的過程中，日本的相關(guān)經(jīng)驗值得我們研究借鑒。

[1] (日本)國土交通省(Ministry of Land, Infrastructure, Transport and Tourism of Japan). 燃料電池自動車、初めての型式指定 (Fuel cell vehicles, authenticated for the type at the first time) [EB/OL]. http://www.mlit.go.jp/common/001060320.pdf, 2014-11-18.

[2] 三浦真一, 真鍋康夫 (Shinichi Miura, Yasuo Manabe). 水素ステーション整備に向けた神戸製鋼グループの取り組み (Technical developments and Kobe Steel’s business approach for hydrogen filling stations) [J]. 神戸製鋼技報 (Kobe Steel Engineering Reports), 2013,64(1): 49-53.

[3] (日本)経済産業(yè)省(Minister of Economy, Trade and Industry of Japan). 水素·燃料電池戦略ロードマップ (Strategic road map for hydrogen and fuel cells) [R].2014-06-23.

[4] (日本)燃料電池実用化推進(jìn)協(xié)議會(Fuel Cell Commercialization Conference of Japan). FCVと水素ステーションの普及に向けたシナリオ (Scenario for the spread of FCV and hydrogen station) [EB/OL]. http://fccj.jp/pdf/22_csj.pdf, 2010-03.

[5] (日本)経済産業(yè)省(Minister of Economy, Trade and Industry of Japan). 水素·燃料電池戦略ロードマップ -2016 改訂 (Strategic road map for hydrogen and fuel cells - 2016 Revision)[R]. 2016-03-22.

Analysis of industrial technology & strategy roadmap of fuel cell vehicles in Japan

ZHEN Zi-jian

(High-Tech Research and Development Center of Ministry of Science and Technology of the People’s Republic of China, Beijing 100044, China)

After years of effort, the technology of fuel cell vehicle and hydrogen fueling infrastructure in Japan is gradually matured and will deeply effect the development of fuel cell vehicle technologies and standards worldwide. In early 2015, Toyota launched the world’s first volume-productive fuel cell vehicle model — Mirai, which means the related technology and cost issues of fuel cell vehicle have been solved in Japan. With the completion of the safety standards for fuel cell vehicle and hydrogen fueling station, this cutting edge technology is ready for commercialization in Japan. In the next step, Japanese government and related industry organizations propose the targets: 1. till 2025, the inventory of fuel cell vehicles will reach 200,000; 2. build large-scale hydrogen fueling system during 2025-2030; 3. establish zero-CO2-emission hydrogen fueling system by 2040. By announcing related policies and strategic guides, Japanese government will lead and promote the development of fuel cell vehicle and hydrogen fueling infrastructure.

fuel cell vehicle; hydrogen fueling infrastructure; technology roadmap; industrialization

2015-08-12

國家自然科學(xué)基金資助項目(71041033)

甄子健(1962-)， 男， 山東籍， 副研究員， 博士， 研究方向為新能源汽車、 科技項目管理等。

TK91；U469.7

A

1003-3076(2016)07-0050-05