《日本发布2025年《FCV·HDV燃料电池技术开发路线图》》

  • 来源专题:工程机械与高端装备
  • 编译者: 赵卫华
  • 发布时间:2025-03-24
  • 日本新能源及产业技术综合开发机构(NEDO)发布2025年《FCV·HDV燃料电池技术开发路线图》,详细规划了燃料电池汽车(FCV)和重型货车(HDV)的燃料电池技术发展路径,旨在推动氢能社会的实现,助力全球碳中和目标。

    1.背景

    该路线图指出,自2005年以来,NEDO一直发布燃料电池和氢能技术发展路线图,以便产业界、学术界和政府能够分享长期观点并致力于技术开发。在“FCV和HDV用燃料电池”领域,NEDO于2024年2月修订了“FCV和HDV燃料电池技术开发路线图”,设定了2035年左右实现大型商用移动车辆(HDV:重型车辆)燃料电池的新目标,并概括了为实现这些目标需要解决的技术开发课题。在“水电解”领域,NEDO编制了一份概述技术问题的文件,为制定路线图做准备,并于2023年2月发布。

    燃料电池和氢能技术发展的形势正在迅速变化,需要不断明确未来的普及场景和技术挑战,并为行业利益相关者之间的共同对话奠定基础。因此,为了根据最新政策和技术趋势修改路线图,NEDO在“为大幅扩大燃料电池等技术的使用而解决共同课题的产学官合作研究开发项目”中,与产业界、大学、研究机构等持续进行讨论。

    2.目标

    此次发布的2025年《FCV·HDV燃料电池技术发展路线图》对2035年左右应实现的乘用车(FCV)等用途的燃料电池设定了新目标,并概括了为实现这些目标应解决的技术发展课题。

    根据该路线图,到2030年、2035年和2040年的FCV目标规模分别为23万台、60万台和150万台,HDV目标规模分别为17万台、45万台和120万台。该路线图还详细设定了多项技术目标,包括最大系统输出功率、系统额定输出功率、耐久性、电流密度、电压等系统目标,以及生产速度、生产成本、绿色化、数字化等开发和生产目标。


  • 原文来源:https://www.nedo.go.jp/content/800020391.pdf
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    • NEDO(日本新能源产业技术综合开发机构)发布了2040年日本国内的燃料电池目标计划,全部目标包括:峰值功率工作电压0.85V、电堆功率密度9kW/L、最大工作温度120℃、耐久性大于15年、续航里程1000km、燃料电池堆成本1000日元/kW。 峰值功率工作电压0.85V 日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆最大负荷处对应的工作电压为0.85V@4.4A/cm2。下图为日本NEDO在2017年发布的2040年燃料电池堆栈性能路线图,其中2030年目标峰值功率工作电压为0.66V@3.8A/cm2,催化剂担载量0.05~0.1g/kW,0.2A/cm2电流密度对应电压0.84V;2040年目标峰值功率工作电压为0.85V@4.4A/cm2,催化剂担载量0.03g/kW,0.2A/cm2电流密度对应电压1.1V。 日本燃料电池堆性能路线图(NEDO) 为获得更高功率,提升燃料电池单电池电压是最基本的途径,但会导致阴极电位增加,形成高电位(>0.85V)。在众多影响燃料电池寿命的因素中,高电位造成阴极催化剂衰减被认为是造成电堆性能衰减的主要因素。高电位会加剧催化剂氧化物的形成,不仅会降低催化剂Pt颗粒的活性,还会加剧Pt颗粒的降解。 此外,高电位存在的条件下,载体碳材料容易被氧化,从而将Pt颗粒与碳载体之间的结合力减弱,使Pt颗粒脱落,导致催化剂颗粒在电解质中融解,影响催化性能。更严重的是剥离后的Pt颗粒通过电解质或粘接剂结合在一起,使得电解质阻值增大。因此,开发价格低廉、高活性和高稳定性的电催化剂显得尤为重要。有关催化剂衰减机理解释,可参考『燃料电池干货』推出的丰田如何实时监测燃料电池催化剂衰减。 电堆功率密度9kW/L 日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆功率密度目标值为9kW/L。目前日本国内,丰田和本田均已推出搭载峰值功率密度3.1kW/L电堆的燃料电池汽车。但对比燃料电池动力系统和燃油发动机体积可以看出,有必要进一步提高燃料电池堆功率密度。 本田燃料电池动力系统与燃油发动机对比 以本田为例,其最新一代燃料电池汽车Clarity动力系统体积与V63.5L燃油发动机基本相当,但电堆峰值功率为103kW,仅为V63.5L燃油发动机的一半。如果日本NEDO发布的燃料电池堆目标功率密度9kW/L可以实现,届时(2040年)燃料电池汽车动力系统功率密度有望超过燃油发动机,真正实现与传统汽车抗衡。 提高燃料电池堆栈功率密度可以从高活性催化剂、增强复合质子交换膜、高扰动流场、导电耐腐蚀薄金属双极板、电堆组装与一致性等方面考虑。 功率密度针对燃料电池堆使用场合较多,定义为燃料电池堆的峰值功率除以燃料电池堆的体积(或质量)。由于燃料电池堆体积(或质量)定义差别较大,通常燃料电池堆功率密度可分为四层级别,分别为:活性面积层、电池组层、端板层和外壳层。 最大工作温度120℃ 日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆最大工作温度目标值为120℃。目前,日本丰田和本田燃料电池堆工作温度区间为75~80℃,电堆冷却液进出口温差在7~15℃。 和传统发动机类似,燃料电池堆在工作状态下会释放大量热量,需及时通过冷却系统向外界散热,以使燃料电池堆工作在合理温度区间。由传统发动机知识可得,燃料电池堆工作越高(温差越大),散热能力越强(cmδT=Q)。 此外,通过提高单体电压至0.85V以上,大大减少电化学反应过程中产生的热量,从源头上减少热量产生。因此,通过提高单体电压(>0.85V)和电池工作温度(120℃),足以相信届时燃料电池温度将轻松可控可调。 耐久性>15年 日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池汽车寿命超过15年。其中,燃料电池乘用车寿命超15万km,燃料电池大巴寿命超75万km,燃料电池列车寿命超100万km。 质子交换膜燃料电池耐久性与其每个部件息息相关,如质子交换膜、催化层、气体扩散层和双极板。质子交换膜的降解机制通常有两种:机械降解和化学降解。机械降解指质子交换膜工作湿度不断发生变化,内部产生较大的内应力,在周期性变化内应力作用下,质子交换膜强度会降低,甚至形成孔洞,严重降低寿命。化学降解是燃料电池在怠速和开路状态下,电池内部形成大量H2O2,如果电池内部存在一些过渡金属二价离子,在催化作用下,H2O2会转变成活性很强的基团,加速膜降解。 由于阴极催化层电势要比阳极高,大多数情况下阴极催化层电化学环境要比阳极催化层恶劣,因此阴极催化层更容易降解。通常催化层是由Pt/C催化剂和一定量的Nafion粘结而成,因此催化层降解主要指Pt/C催化剂降解和Nafion降解。碳载Pt催化剂的降解通常有四种机制:微晶迁移合并机制、电化学熟化机制、Pt融解且在离子导体中再沉积机制、碳腐蚀机制。催化层Nafion和质子交换膜组成、结构相似,因此降解机制和质子膜类似。 气体扩散层通常由扩散层基质和微孔层组成。扩散层基质通常由碳纤维或碳布经疏水处理形成;微孔层由碳粉通过PTFE溶液粘结而成。通常认为气体扩撒层的降解机制有两种:机械降解和电化学降解。机械降解是在机械应力、气体和水冲蚀等作用下,PTFE脱落降低疏水性影响水气传输性能,同时微孔层孔径可能发生变化甚至部分脱落。电化学降解是高电势条件下,气体扩散层基质中的碳纤维和微孔层中的碳颗粒发生氧化腐蚀,改变组成和结构,影响性能和降低耐久性。 续航里程>1000km 日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池汽车续航里程超过1000km。目前,日本丰田Mirai和本田Clarity两款燃料电池汽车满载储氢质量都为5kg(70Mpa),在JC08工况下续航里程分别为650km、750km(丰田Mirai满载储氢容积122.4L,本田Clarity满载储氢容积141L)。 燃料电池汽车的续航里程主要和氢气储存压力和体积相关。“燃料电池干货”了解到,在目前国际主流燃料电池汽车已实现续航里程700-800公里的前提下,届时1000km公里续航里程并不难。 燃料电池堆成本1000JPY/kW 日本NEDO发布的燃料电池堆栈性能路线路中提出,至2040年,燃料电池堆成本目标值为1000日元/kW,燃料电池系统成本目标值为2000日元/kW,氢瓶成本目标值为10万日元(注:上述成本目标值均建立在年产量50万套前提下)。 燃料电池汽车目前最大的课题是燃料电池组等专用部件的价格尚高,丰田与本田的燃料电池汽车低成本方向略显不同。丰田低成本方向是与旗下混合动力汽车共享电动部件,本田则是与旗下插电式汽车(PHEV)共用底盘。 丰田混合动力汽车年销量超过100万,通过在燃料电池汽车中运用HEV的部件量产效应来降低成本。如驱动马达及逆变器采用了与车型级别接近的“雷克萨斯RX450h”相同的产品,镍氢电池则采用了与中型轿车“凯美瑞”相同的产品。注意,丰田没有让Mirai与PHEV共用底盘,原因是2015年底导入的跨越车型级别可以共用部件的丰田TNGA(丰田新型全球架构)是从第四代普锐斯开始采用,Mirai问世比第四代普锐斯早一步。 本田Clarity燃料电池汽车底盘 本田燃料电池汽车采用的战略是通过与旗下PHEV共用底盘来降低成本。PHEV用底盘,除了能将电池铺设在地板下方之外,后座下面的氢罐也可以换成邮箱。当然,本田FCV还实现了电动部件的通用化,如锂电池组与旗下雅阁车型通用,驱动马达与飞度EV通用。
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    • 编译者:李衍
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    • 2023年3月1日,美国半导体研究联盟(Semiconductor Research Corporation, SRC)在美国商务部国家标准与技术研究院(NIST)资助下编制并发布《微电子和先进封装技术路线图》(以下简称“MAPT路线图”)临时报告,从生态系统、系统架构和应用、系统集成和基础微电子四个层面,规划并梳理关键核心技术和培育专业人才队伍所需的步骤,以确保未来美国在设计、开发和制造异质集成系统级封装(SiP)方面的创新能力。MAPT路线图以2021年版《半导体十年计划》和《异构集成路线图》为基础进行构建,提出了一个新的全面的3D半导体路线图,以指导即将到来的微电子革命。 MAPT路线图仍在开发,临时报告旨在广泛征集公众意见以实现高质量的最终路线图。MAPT路线图共包含12章。第一章为MAPT路线图报告概况,其余11章具体包括: 1. 可持续发展与能源效率。根据《半导体十年计划》,现阶段计算解决方案不可持续,随着计算需求的增加,计算的能源需求将超过市场上可用的能源。如果未来十年能源效率没有实现1000倍的提高,2040年后没有实现1000000倍的提高,计算将处于能源受限状态,不会增长、驱动新市场或刺激全球GDP增长。此外,由于全球半导体需求日益增长,以及美国《芯片法案》目标,预计未来几年美国的芯片制造将会增加。同时,从环境和人类健康的角度来看,芯片制造和先进封装所涉及的化学品、材料和工艺以及产品设计本身都必须尽可能可持续。可持续发展与能源效率的跨领域需求包括:(1)提高计算中的能源效率;(2)在半导体器件和系统的全生命周期中(如:设计、开发、制造、使用、产品使用寿命期后废弃管理)提高环境可持续性和效率;(3)随着社会需求的变化,可持续解决方案和系统创新所需的劳动力的发展。 2. 材料、衬底、供应链。本章聚焦微电子封装供应链生态的输入端,材料的来源、环境因素、成本等都会影响封装供应链的韧性和可持续性。MAPT路线图旨在确定未来几代先进电子封装结构中将使用的材料和化学品,重点考虑因素包括:高可靠性材料、新工艺材料、电气性能材料、机械性能/工艺可操作性材料、热管理材料、可靠性/温度/湿度性能优越材料和环境可持续材料。 3. 设计、建模、测试和标准。本章涉及未来的设计自动化组合和行业标准开发。这些设计工具和标准将有效帮助芯片和系统设计者探索和优化不同设计领域以及性能、功率/能源、面积/体积、保密性和安全性等指标,并将成为半导体行业的关键推动者。 4. 制造和工艺开发计量学。本章涵盖了半导体材料和器件研究、开发和制造等各个方面的测量。“表征和计量”可离线、在线和线上使用,包括物理和电气测量的所有方面。“表征和计量”涵盖了从原子尺度到宏观尺度的测量。对新材料和新结构的探索是表征密集型的,而且随着工艺技术的日益成熟,晶圆厂内计量(in-fab metrology)的使用也在增加。本章描述了MAPT路线图所有领域的表征和计量,从材料和器件到先进封装和异构集成以及系统。 5. 安全和隐私。本章确定了新出现的安全和隐私挑战,并概述了解决这些挑战的方法。本章对整个技术堆栈进行了全面分析,但重点强调了对制造和封装技术的影响。本章是对2019年IEEE发布的《异构集成路线图》(Heterogeneous Integration Roadmap)安全章节的补充。本章的主要主题包括:(1)异构集成中潜在的硬件安全漏洞;(2)确定SiP安全内容的可行策略,以及定义合理指标以评估安全弹性实施的可行策略;(3)针对特定应用的攻击预测和防御机制。 6. 劳动力发展。本章概述了未来十年MAPT领域劳动力的需求。美国上下一致认为,目前的人才库以及创建和支持美国国内MAPT劳动力的途径都远远达不到预期需求,并已成为关系美国经济和国家安全的关键点。目前,从技术认证师、专科学位操作员、维护工程师到硕士和博士工程师,MAPT领域不同教育水平的工人在数量、知识、技能和能力方面都不足以满足未来的需求。本章内容主要包括:(1)微电子劳动力需求的预测/时间表;(2)全国“赢得人心”运动的路线图;(3)整个MAPT生态系统的整体、有效的劳动力发展框架。 7. 应用驱动因素和系统要求。本章描述了各种应用领域的影响及其对MAPT路线图所涵盖的关键使能技术方向的影响,并具体讨论了数据中心和高性能计算、移动通信和基础设施、边缘计算和物联网、汽车、生物应用和健康、安全和隐私、以及防御和恶劣环境等应用实例。每一个应用领域都将以不同方式发展,并需要领域特定的系统来实现更高水平性能。 8. 先进封装与异构集成。本章重点介绍了微电子芯片的先进封装和异构集成的各个方面。由于使用更精细的晶体管(低于20nm)微缩芯片的成本优势正在减弱,因此有必要采用一种新方法,即将单个晶粒分解为更小的芯粒(chiplet)并在适当的技术制程上进行经济有效地制造。为了通过芯粒和无源元件的异构集成实现功能“缩放”,封装必须从“芯片载体”过渡到“集成平台”。随着微电子行业朝着为每个应用定制更高性能、更低功耗的解决方案发展,芯粒数量将继续增加。下一代封装技术需要支持这种异构集成的爆炸式增长,实现可以容纳极细间距I/O芯片和极细间距电路系统的互连。 9. 数字处理。本章重点介绍了已经渗透到现代社会各个方面的数字处理技术和基础设施。如今,产率问题、散热设计功耗(TDP)的实际限制、先进技术制程的高设计和制造成本对实现终端用户期望构成威胁。与此同时,人工智能/机器学习相关应用、高级认知需求、区块链等方面都要求处理不断增加的数据集,并执行越来越复杂的计算。单芯片封装解决方案不再适配数据密集型或高性能处理需求。此外,数据处理成本现在主要由将数据移动的能耗决定,包括在处理数据的微芯片内移动数据的能耗。将不同的未封装芯粒进行单片异构集成从而形成SiP,已成为解决这些挑战的重要方案。 10. 模拟和混合信号处理。模拟和混合信号处理驱动着模拟硬件的新兴应用和趋势,本章概述了该领域的短期、中期和长期前景。模拟元件对于世界-机器接口、传感、感知、通信和推理系统,以及所有类型的电气系统的电力分配、输送和管理至关重要。模拟信号处理或“模拟边缘”处理有助于减少必要的数字处理数量。本章的主要主题包括:(1)模拟和混合信号电路及处理;(2)电力转换和管理;(3)智能传感接口;(4)射频(RF)到太赫兹(THz)的器件、电路和系统(RF-to-THz devices, circuits and systems)。 11. 光子学和微机电系统。本章阐述了存储器、计算、传感、通信等所必需的重要配套技术。本章是对2021年荷兰PhotonDelta联盟和麻省理工学院微光子学研究中心发布的《国际集成光子学系统路线图》(Integrated Photonics System Roadmap – International, IPSR-I)的补充。本章的主要主题包括:(1)基于微机电系统和光子学的传感器和执行器;(2)用于通信的集成光子学;(3)用于存储器和计算的光子I/O;(4)材料和加工;(5)设计和建模支持。