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    氫燃料電池車關鍵技術——SiC與儲氫罐

    發布日期: 2018-10-22
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    氫燃料電池車是新能源車的終ji目標

    氫燃料電池車沒有里程焦慮,氫燃料電池車可以輕易做到綜合工況下650公里的續航,大部分傳統新能源車都在300公里以下。

    加大儲氫罐,氫燃料電池車甚至可以超越汽油車。加氫只需要3分鐘,和汽油車一樣。同時可以應對寬溫度范圍。

    氫燃料電池車比汽油車還要安全,作為液體,碳基燃料一旦泄露就會流動散布開來。

    當傳統燃料燃燒時,會產生灰燼,同時輻射大量的熱。然而氫卻不是這樣。氫燃燒時不產生熱的灰燼,很少輻射熱量。

    更重要的是,當氫氣泄漏時,它不是流動開來,而是迅速揮發散布在大氣中,所以它幾乎沒有時間來燃燒。

    氫是地球上取之不盡用之不竭的能源,而且在驅動汽車時,排放的只有水氣,沒有二氧化碳,是真正的*。

    目前絕大多數電動車仍然需要從電網中獲得電能,而中國的電能80%來自燃煤發電廠,燃煤發電廠的污染程度是相當高的。

    中國有zui豐富的煤炭資源,這就注定我國的能源格局中,燃煤發電至少在50年內都是電能的主要來源。

    盡管這幾年中國一花獨秀地大力推進純電動車的發展,但是也確信氫燃料電池車是節能減排的終ji方案。

    按照工信部2016年10月發布的氫燃料電池車發展規劃,到2020年,燃料電池車將會達到5000輛,2025年達到5萬輛,2030年達到100萬輛。同期建設加氫站分別為100座,350座和1000座。

    中國發展氫燃料電池車有個突出優勢,這就是中國是世界上鋼廠、煉化、煤氣化廠分布密度高的國家,所有大中城市周邊均有鋼廠、煉化或煤氣化廠。

    煉鋼和化工行業會產生大量的副產品氫氣,這就是焦爐煤氣。焦爐煤氣提取的氫氣成本大約為人民幣每公斤30元,遠低于汽油的價格。

    光是在上海鋼鐵和化工產業產生的氫氣副產品,就足以可以支撐40萬輛新能源車的行駛;對于山西的話,足以支撐500萬輛氫燃料電池車。

    鋼鐵工業已經形成一套經過多年安全驗證的氫氣的儲存與運輸方式,可以低成本改造為加氫站。

    對新能源車來說,電池、VCU、BSM、電機效率都缺乏提升空間,有提升空間的當屬電機驅動部分。

    而電機驅動部分核心的元件IGBT則是需要重視的,IGBT約占電機驅動系統成本的一半,而電機驅動系統占整車成本的15-20%,也就是說IGBT占整車成本的7-10%,是除電池之外成本第二高的元件,也決定了整車的能源效率。

    不僅電機驅動要用IGBT,新能源的發電機和空調部分一般也需要IGBT。

    也正因為IGBT太重要,豐田在開發混合動力車時就認定IGBT管要完全控制在手中,豐田也是唯yi能夠自產IGBT管的汽車廠家(自產,而不是買別人的晶圓再做封裝),普銳斯也因此獲得強大的生命力,也是目前唯yi的強混合動力車。

    不僅是新能源車,直流充電樁和機車(高鐵和地鐵)的核心也是IGBT管,直流充電樁30%的原材料成本就是IGBT。

    電力機車一般需要 500 個 IGBT 模塊,動車組需要超過 100 個 IGBT 模塊,一節地鐵需要 50-80 個 IGBT 模塊。

    特斯拉成本節約之處

    特斯拉Model X使用132個IGBT管,由英飛凌提供,其中后電機為96個,前電機為36個,每個單管的價格大約4-5美元,合計大約650美元。

    如果改用模塊的話,估計需要12-16個模塊,成本大約1200-1600美元。特斯拉使用單管的原因主要是成本。

    Si IGBT向SiC MOSFET轉換

    SiC PCU

    豐田內部完成SiC元件所有工序

    混動上也大量使用SiC

    特斯拉Model 3長續航的奧秘

    特斯拉與SiC

    特斯拉是繼豐田后第二家使用全SiC功率模塊的車企,工程設計部門直接與意法半導體的合作,特斯拉逆變器由24個1-in-1功率模塊組成,這些模塊組裝在針翅式散熱器上。

    如圖所示,實際的連接還有很多的細節,在拆解過程中發現,為了有效地做好這些連接,使用了大量的激光焊接的工藝,來把MOSFET與銅母線相連。

    SiC在氫燃料車上

    成本逐漸降低

    兩大技術難點,溝槽與集成SBD

    SiC的產業狀況

    日本遙遙領xian,英飛凌收購Wolfspeed被美國CFIUS拒

    中國嚴重落后,差距在10年以上

    IGBT目前已經發展到7.5代,第7代由三菱電機在2012年推出,三菱電機目前的水平可以看作7.5代,同時IGBT的下一代SiC技術已經在日本全面普及,無論三菱這樣的大廠還是Fuji、Rohm這樣的小廠都有能力制造出SiC元件,我國目前停留在第三代水平上,差距在10年以上。

    Si IGBT與SiC MOSFET的技術有相通之處,擁有IGBT技術有利于開發SiC產品。

    SiC基板材料技術短缺,嚴重制約中國、德國和美國的SiC元件的發展,同時也無法降低成本。日本即使小廠都能自制SiC基板,材料科技。

     

    氫燃料電池車核心技術:儲氫罐

    儲氫罐為何重要?

    1、高成本,儲氫罐是氫燃料電池車中除了電池外占成本比例第二高的零部件,乘用車車載儲氫罐一般儲存6kg左右的高壓氫氣,保證行駛里程(600km),儲氫罐的體積和重量將分別在240L和130kg左右,國外儲氫壓力70MPa,國內35MPa,且多采用金屬材料,效率低下,體積龐大,重量驚人,成本*,只能用于公交車和貨車大型車輛。

    國外儲氫罐一般使用碳纖維,預計乘用車高壓儲氫瓶成本5~6萬元,其中碳纖維材料的成本約為60~70%。日本是zui大的碳纖維出口國,*超過95%,日系氫燃料電池車具備成本優勢。

    2、大體積,儲氫罐是氫燃料電池車中體積大的底盤下部件,儲氫罐決定了乘坐空間的大小。

    3、安全 。儲氫罐必須保證安全,需要進行多項的測試、氫氣循環試驗、火災試驗、沖擊破壞試驗、溫度壓力循環試驗、貫穿試驗、化學暴露試驗等等。這導致其技術門檻大幅度提高。

    4、續航里程。氫氣儲存的越多,自然續航里程越遠,但這可能導致更高的儲氫罐重量。

    儲氫罐發展歷史

    早為純金屬儲氫罐,由于是單層結構,無法對容器安全狀態進行實時在線監測。因此,這類儲罐僅適用于固定式、小儲量的氫氣儲存,遠不能滿足車載系統要求。

    后來出現金屬內膽外加碳纖維纏繞,初僅是罐體中部纏繞,后來發展到全罐纏繞。

    纏繞方案主要包括層板理論與網格理論。多層結構的采用不僅可防止內部金屬層受侵蝕,還可在各層間形成密閉空間,以實現對儲罐安全狀態的在線監控。

    全復合材料輕質纖維纏繞儲氫罐是終ji目標

    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。

    這類儲罐的筒體一般包括3 層:塑料內膽、纖維增強層、保護層。

    塑料內膽不僅能保持儲罐的形態,還能兼作纖維纏繞的模具。同時,塑料內膽的沖擊韌性優于金屬內膽,且具有優良的氣密性、耐腐蝕性、耐高溫和高強度、高韌性等特點。全復合輕質纖維纏繞儲罐的質量更低,約為相同儲量鋼瓶的50%,因此,其在車載氫氣儲存系統中的競爭具備優勢。

    豐田在2015年5月舉行的日本汽車技術協會春季大會(日本汽車技術協會主辦)上,就燃料電池車“MIRAI”配備的高壓儲氫罐的輕量化發表了演講。 

    高壓儲氫罐采用三層結構,內層是密封氫氣的樹脂襯里,中層是確保耐壓強度的碳纖維強化樹脂(CFRP)層,表層是保護表面的玻璃纖維強化樹脂層。

    MIRAI的儲氫罐的輕量化瞄準的是中層。中層采用的是對含浸了樹脂的碳纖施加張力使之卷起層疊的纖維纏繞(Filament winding)工藝。

    纏繞方法有強化筒部的環向纏繞、強化邊緣的高角度螺旋纏繞和強化底部的低角度螺旋纏繞三種,三種方式均減少了纏繞圈數。

    環向纏繞通過使高應力區集中在內層來確保強度,減少了纏繞的總圈數。

    角度螺旋纏繞通過改變塑料襯里的形狀,減少了向筒部纏繞圈數,在筒部輔以環向纏繞。

    低角度螺旋纏繞通過減小管底的開口部,減小了表面壓力,從而降低了用量。通過削減這三種方式的纏繞圈數,使CFRP的用量比原來減少了40%。

    通過將CFRP用量減少40%,使重量效率比原來提高了20%,達到了zui高水平的5.7wt.%。

    復合材料輕質纖維纏繞儲氫罐關鍵技術:纏繞機

    纏繞機是復合材料儲氫罐關鍵設備,與其配套的張力控制系統、浸膠槽、多維度吐絲頭、自轉芯軸組成的濕法纏繞體系,不僅控制了生產成本,更決定了生產效率和生產質量,主要有美國Tankinetic和意大利的Sarplast壟斷了大型纏繞機的關鍵技術。中國沒有能力制造大型纏繞機。

    國內主要還是35MPa,國外是70MPa,續航里程差近50%。碳纖維是主要成本,日本是碳纖維大出口國。

    全復合材料輕質纖維纏繞儲氫罐

    中國主要是浙江大學在研究

    2009年12月4日,浙江大學王新華研究員主持的2006年探索導向課題“70 MPa靜態化學熱壓縮高壓超純氫壓縮技術與裝置”通過了國家科技部高技術中心組織專家的驗收。2009年科技部又推出了863課題,研制70Mpa的車載氣瓶,取得的主要成果有:

    (1)安全狀態遠程在線監控的全多層大容積高壓儲氫容器將鋼帶錯繞筒體技術與雙層等厚度半球形封頭和加強箍等結構相結合,創新性地提出了全多層高壓容器結構,研制成功擁有自主知識產權的*高于70MPa的鋼帶錯繞全多層高壓儲氫容器,突破了高壓氫氣的經濟、安全、規模儲存的難題。

    (2)集壓縮、凈化于一體的低能耗70MPa靜態化學氫壓縮機研發了在150℃下釋氫平臺壓力達到80MPa的儲氫合金,解決了高壓下儲氫合金粉末堆積預防和傳熱優化、氫容量匹配等關鍵技術,形成了高壓超純氫靜態化學氫壓縮技術,研制成功了*70MPa靜態化學氫壓縮機,該壓縮機同時具有顯著提高氫氣純度的功能。

    (3)輕質鋁內膽纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶設計制造技術建立了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶結構-材料-工藝一體化的自適應遺傳優化設計方法,解決了超?。?.5mm)鋁內膽成型、高抗疲勞性能的纏繞線形匹配等關鍵技術,成功研制了70MPa纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶的單位質量儲氫密度達5.78wt%,實現了纖維全纏繞高壓儲氫氣瓶的輕量化。

    (4)高壓氫氣快充溫升仿真系統及其控制技術考慮材料比熱容隨溫度的變化和氣瓶內外壁之間的傳熱,構建了高預測精度的車載高壓儲氫容器快充溫升數值仿真系統,準確預測了快充過程中氣瓶內各處壓力、溫度的分布規律,給出了實用可靠的溫升控制方法。 

    但是關鍵的設備如纏繞機和復合材料制造是中國短板,距商業化遙遙無期。

    豐田是唯二全復合材料儲氫罐商業化的企業

    豐田儲氫罐

    豐田Mirai的兩個儲氫罐容積分別是60L和62.4L。為了布置體積較大的前儲氫罐,Mirai的后排座椅較高,并且只能乘坐2人。帶來的優勢是行李廂的空間會大一些。

    豐田的價格比本田低43萬日元,而配置高出本田不少。

    豐田儲氫罐所有工藝全內部完成

    2018年2月,為了提升FCEV核心零部件的產能,豐田在位于日本愛知縣豐田市的總公司工廠內新建廠房,用于增加氫燃料電池堆的產能。同時,在位于愛知縣三好市的下山工廠內新建高壓儲氫罐生產線。

    此次新增生產設施,除為了滿足在2020年后通過豐富產品線帶來FCEV銷量增長所需的產能外,同時也將滿足應用于自2017年2月在東京開始銷售的氫燃料電池大巴、豐田自動織機與2016年開始銷售的氫燃料電池叉車等所需的氫燃料電池堆、氫燃料電池單元及高壓儲氫罐所需的產能。

    豐田計劃在2020年前后將MIRAI、氫燃料電池大巴等氫燃料電池車的銷量擴大至每年3萬輛以上。

    本田和奔馳儲氫罐采用挪威Hexagon 技術

    本田儲氫罐

    Clarity Fuel Cell的兩個儲氫罐容量分別是24L和117L。前儲氫罐很小,以減少對乘員空間的影響,帶來的好處是后排可以乘坐3人。

    但是,Clarity Fuel Cell的后儲氫罐過大,它位于后排座椅和行李廂之間,侵占了很多行李廂空間。

    現代NEXO氫燃料電池車儲氫罐

    現代采用三儲氫罐,自己開發的儲氫罐技術,體積總共有156.6升。

    通用軍用氫燃料電池車采用挪威Hexagon 技術,可抵御子彈

    奧迪采用挪威Hexagon技術

    奔馳氫燃料電池車

     

     

     

     

     

     

     

     

     

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