理论教育 德国技术创新引领潮流

德国技术创新引领潮流

时间:2023-05-25 理论教育 版权反馈
【摘要】:基本情况就欧洲整个地区而言,德国引领氢燃料电池汽车技术发展潮流,同时,也是氢能及以之为动力的汽车普及应用最有力的推动者之一。2007年,联邦交通部、环境署、经济部和研发部等部门,出台一个名为“氢与燃料电池技术国家创新计划”,明确支持氢能与燃料电池技术的发展。

德国技术创新引领潮流

(1)基本情况

就欧洲整个地区而言,德国引领氢燃料电池汽车技术发展潮流,同时,也是氢能及以之为动力的汽车普及应用最有力的推动者之一。早在20世纪90年代初期,德国政府就制定并实施了一个燃料电池研发应用计划。21世纪伊始,德国五家积极发展氢燃料电池汽车的制造商,就联合有关的能源公司,开展被称为“清洁能源合作伙伴”的项目(CEP),在柏林市进行氢燃料电池汽车及氢发动机汽车的交通运行试验,其中,加氢站的建设得到联邦政府的资助。该项目分为三个阶段实施,2001年启动,至2014年底结束。到2011年,项目已进行到第三阶段,重点是对氢燃料电池汽车进行示范运行。该项目计划的最终目标,是开发出可实际应用于公路交通的氢燃料电池汽车。

2007年,联邦交通部、环境署、经济部和研发部等部门,出台一个名为“氢与燃料电池技术国家创新计划”(NIP),明确支持氢能与燃料电池技术的发展。2008年2月,在交通部的推动与资助下,有关社会团体和企业成立“氢燃料电池技术国家组织”(NOW),具体负责实施“NIP”项目。该项目计划在2008~2017年间,总共投入预算资金14亿欧元,用于研发氢能与燃料电池技术,联邦政府和产业界各出一半资金;其中,政府总共负担的7亿欧元预算资金,有2亿欧元用于技术研发,5亿欧元用于氢燃料电池汽车的示范运行。除此之外,自2010年起,联邦交通部还组织实施了一个电动车辆推广项目,旨在促进纯电动汽车、混合动力汽车与燃料电池汽车的普及使用,而具体工作则委托给NOW承担。在2010~2011年的两年间,就安排预算资金多达5亿欧元。

综上所述,德国联邦政府和相关企业与社会组织推动氢燃料电池汽车发展,主要采取“两手抓”的策略:即一方面狠抓技术研发与攻关;另一方面,狠抓示范运行与加氢站等基础设施建设。截至2012年统计,全德投入使用的公共加氢站有15座,远期规划至2030年将大幅增加到1000座,从而基本形成覆盖全德的氢燃料供应网络。在中期规划中,即至2023年,全德加氢站数量达到400座,主要分布于高速公路沿线,至少每隔90km有一座加氢站。从人口密度上看,至少在每个大都市区内有10座加氢站。2013年,有五个工业伙伴加入“H2 Mobility”项目计划,一致同意在德国境内投资总计为3.5亿欧元,建造全国的加氢补氢网络(见2015年3月19日《北京汽车报》)。NOW总裁Klaus Bonhoff表示,氢能与燃料电池技术正蓄势待发,氢燃料电池汽车也在整装出场。据称,在德国,产业界和政府都在为创建一个可广泛使用氢燃料汽车的基础而努力,德国也会成为世界氢能技术的引领者。

(2)持续创新永争世界第一的企业——奔驰

①研发攻坚克难,一以贯之。

为世人普遍熟知的奔驰三叉星标志,不仅代表了其产品质量可靠、性能卓越,而且也蕴涵企业生机勃勃、经久不衰的创新精神。在当今世界业界,戴姆勒-奔驰是对氢燃料电池汽车发展最积极、最坚定的实践者和推动者之一,在该领域拥有领先的技术和丰富的经验。奔驰不单是世界首辆(内燃机)传统汽车的发明者,也是全球第一辆氢燃料电池汽车的制造者。这辆世界首款氢燃料电池汽车被命名为Necarl,诞生于1994年,是基于MB100厢式车改装而成。之后,该公司又相继研发出Necar2~Necar4型氢燃料电池汽车。其中,Necar4于1999年推出,是一辆将输出功率为70kW燃料电池发动机系统和储氢罐安置在车身底部的梅赛德斯牌A级轿车。供给此车燃料电池使用的是压缩氢气,最高车速为145km/h,加一次氢燃料,续驶里程为200km。2003年,该公司以Citaro客车为原型,首批制造出30辆燃料电池公交客车,以示范运行的形式,投放到西班牙马德里和德国斯图加特市使用;随后,欧洲其他城市以及澳大利亚珀斯和中国北京,也相继采购此车试用。2004年,梅赛德斯——奔驰A级燃料电池轿车面世,并向柏林市有关用户交付了10辆用于示范运行。(www.daowen.com)

经过15年坚持不懈的努力,克服无数个困难和障碍,2009年,奔驰氢燃料电池汽车技术终于迈上一个更高台阶,事业发展也进入一个新的阶段。这一年,该公司研发出新一代B级F-cell氢燃料电池轿车,并投入生产,首批量产的200辆于2010年年初交付欧、美等相关的客户进行示范运用,同时,也是进行大规模、大范围的实际应用测试与考验(例如,投放到美国的70辆车,三年内已行驶约1.7万km)。该车之所以被称为新一代氢燃料电池汽车,主要在于其应用了新一代的燃料电池驱动系统。此套系统体积小,动力强劲,完全可以满足日常实际使用要求。本车加注一次燃料只需3min,可连续行驶400km,与10年前的同类型A级车相比提高1倍;百km能耗只相当于3.3L汽油;汽车的最大功率为100kW,最高时速170km。处于整个汽车关键核心技术地位的燃料电池驱动系统主要由以下部分构成:一套结构紧凑的小型燃料电池堆(作为主动力源)与一组高效锂离子电池(辅助动力);三个70MPa储氢罐和一个安置于前轴的、性能先进的驱动电机。相较于2004年版A级氢燃料电池轿车的驱动系统,体积缩小约40%,燃料消耗减少30%,而输出功率却增加了30%;燃料电池堆可在-25℃的低温条件下正常起动,这是燃料电池技术的一项重大突破。储氢罐制造技术较之前也有很多改进,罐的材质为高强度碳纤维复合材料,既轻又耐压。三个罐可存储压缩氢气约4kg,可满足如上所述的续驶里程要求。

为进一步全面严格实地验证氢燃料电池汽车的使用技术性能,广为宣传其无与伦比的巨大优越性,同时,也为了向世界展示企业科技创新成果,奔驰公司在2011年1月至6月总计123天的时间里,投入三辆B级氢燃料电池轿车组成车队,开展了名为“F-Cell World Drive”的环球之旅,在业界曾引起很大反响。车队从奔驰的德国斯图加特总部出发,经过14个国家,横跨四大洲,总里程达3万km。车队也曾途经中国,2011年4月19日在上海车展盛装亮相后,沿北京、西安、兰州、嘉峪关这条路线进发,穿越路途艰险的河西走廊,抵达崇峻的天山脚下,然后从新疆驶离出境。此次世界上前所未有的氢燃料电池汽车环球旅行创举,不仅充分展示了这种新能源汽车在各种复杂恶劣气候条件与严苛极端道路状况下的高安全性、可靠性,而且也印证了道路交通工具实现零排放的可能性与可行性,进一步增强了人们从事氢燃料电池汽车发展的信心和决心。为更好克服在发展氢燃料电池汽车事业中遇到的困难和瓶颈,戴姆勒-奔驰已与福特日产等世界知名车企进行战略合作,并计划于2017年前后,向市场推出在价格上更具竞争力的、以B级轿车为基础的氢燃料电池汽车产品,目前正在进行试运行,以考验其性能。 ②联合各方共建加氢站等基础设施。

奔驰通过自身多年从事氢燃料电池汽车发展的实践认识到,氢燃料电池汽车的推广应用,就单纯的技术而言已不存在问题。剩下的主要障碍有两个:一是成本还比较高;二是加氢站等基础设施缺乏的制约。前者经过制造商的进一步努力和量产规模扩大后会得到解决,而后者却需要社会各方携手共同来解决。正是基于这一从实践中获得的认识,在氢燃料电池汽车成功完成“全球之旅”后不久,奔驰就宣布与德国林德能源公司合作,从2012年起,投资数千万欧元,至2015年在全德境内增设15座加氢站。2013年,该公司又和法国液化空气与道达尔、德国林德、奥地利石油燃气(“OMW”)、荷兰皇家壳牌等五家企业集团合作,共同投融资约3.5亿欧元,启动实施一个为期10年、被称作“H2 Mobility”(即“让氢能汽车跑起来”)的建设项目计划,推动德国加氢站的建设,在现有15座的基础上,至2017年增加到100座,至2023年增加到400座。该项目计划的实施,也得到“NOW”的大力支持,并将之作为德国“NIP”的一个组成部分。

(3)大众“一鸣惊人”

在德国,(至少)从舆论或宣传上而言,大众汽车集团并不是对发展氢燃料电池汽车最积极的企业,并且还一直宣称,在近中期其技术进步工作的重点仍在传统汽车改进升级上。然而,在2014年12月洛杉矶国际车展上,该公司却出人意料地“一口气”推出了三款氢燃料电池汽车(分别为大众高尔夫Hymontion、大众帕萨特Hymontion和奥迪A7h-tron等概念车),让世人为之一惊。尽管大众坚持认为氢燃料电池汽车在2020年之前难以实现真正的普及应用,但还是把它视为本企业汽车电动化战略非常重要的一部分,并按计划一步步实施。大众公司在对待发展氢燃料电池汽车上的“言行不一”,确实耐人寻味。

以上提及的大众三款氢燃料电池汽车,均装用了公司自主研发的第四代100kW级燃料电池堆,由300多个单体低温聚合物质子交换膜式燃料电池集合而成,质子交换膜的两侧涂覆有铂基催化剂。燃料电池堆的辅助系统,主要包括一套涡轮增压器、一个冷却风扇和一个冷却液泵。据称,该公司在展示了三款氢燃料电池汽车之后,就着手研发第五代更为先进和成熟的燃料电池技术。新一代产品的技术研发攻关主要集中于两个方面:一是提高燃料电池系统的工作效率;二是进一步减少铂基催化剂用量而使燃料电池的成本再下降。为此,该公司正在研发一种具有纳米铂涂层结构的新型催化剂,这种结构不仅可大幅度扩展铂涂层的表面接触面积(以提高催化效果),而且还能降低铂涂层的厚度(这有利于降低燃料电池成本)。整个(单体)燃料电池的纳米结构技术也正在研发之中。

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