氫燃料電池在重型載貨車(chē)上的應(yīng)用

一、氫燃料電池應(yīng)用于重型載貨車(chē)的戰(zhàn)略意義重型載貨車(chē)是全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要組成部分。2019年，我國(guó)重型載貨車(chē)銷(xiāo)售117.4萬(wàn)輛；2020年1~10月份累計(jì)銷(xiāo)量達(dá)到137.37萬(wàn)輛。重型載貨車(chē)銷(xiāo)量增長(zhǎng)的同時(shí)也帶來(lái)了能源消耗量大、污染物排放高的問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，石油消費(fèi)總量約有50%來(lái)自于交通運(yùn)輸業(yè)；2019年重型載貨車(chē)NOx排放量超過(guò)汽車(chē)排放總量的74%，PM排放量超過(guò)52.4%。因此，在重型載貨車(chē)領(lǐng)域開(kāi)展氫燃料電池的推廣和應(yīng)用，節(jié)能減排效果會(huì)更加顯著。隨著國(guó)家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)文明建設(shè)向縱深推進(jìn)，能源消費(fèi)的低碳化、清潔化已成為主流。氫氣無(wú)碳、來(lái)源廣、可再生，開(kāi)展氫能在交通領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用是解決能源安全和環(huán)保壓力的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)2060年“碳中和”目標(biāo)的有效手段。2020年11月國(guó)務(wù)院辦公廳發(fā)布《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)劃》），《規(guī)劃》指出，力爭(zhēng)經(jīng)過(guò)15年的持續(xù)努力，燃料電池汽車(chē)要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，氫燃料供給體系建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，有效促進(jìn)節(jié)能減排水平和社會(huì)運(yùn)行效率的提升。與純電動(dòng)汽車(chē)相比，氫燃料電池汽車(chē)在燃料加注時(shí)間和續(xù)駛里程方面具有明顯優(yōu)勢(shì)，對(duì)于續(xù)駛里程長(zhǎng)、動(dòng)力性要求高、載重量大的重型載貨車(chē)，燃料電池是更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的零排放技術(shù)方案。同乘用車(chē)相比，重型載貨車(chē)的運(yùn)行路線也相對(duì)固定，對(duì)加氫基礎(chǔ)設(shè)施布局的要求也相對(duì)更低。因此在燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，發(fā)展燃料電池重型載貨車(chē)的戰(zhàn)略引導(dǎo)作用高于乘用車(chē)。二、氫燃料電池重型載貨車(chē)發(fā)展的國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀縱觀全球，氫燃料電池重型載貨車(chē)仍處于關(guān)鍵技術(shù)提升及小范圍示范應(yīng)用階段，應(yīng)用場(chǎng)景主要面向城市公交客車(chē)和物流運(yùn)輸車(chē)輛，在重型載貨車(chē)上的應(yīng)用仍沒(méi)有取得突破。2017年7月，中國(guó)重汽集團(tuán)有限公司推出了國(guó)內(nèi)首臺(tái)氫燃料電池重型載貨車(chē)，用于港口物料運(yùn)輸；2019年11月，陜西重型汽車(chē)有限公司推出搭載濰柴氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的49t重型載貨車(chē)X5000，已在河鋼集團(tuán)邯鄲公司進(jìn)行示范運(yùn)營(yíng)，取得顯著示范效果。2020年1月，佛山市飛馳汽車(chē)科技有限公司研發(fā)完成氫燃料電池牽引車(chē)的整車(chē)制造，正在開(kāi)展相關(guān)測(cè)試；2020年3月江鈴重型汽車(chē)有限公司交付10臺(tái)江鈴?fù)垰淠苤匦洼d貨車(chē)，并在上海展開(kāi)示范運(yùn)營(yíng)；上汽依維柯紅巖商用車(chē)有限公司首臺(tái)氫燃料電池重型載貨車(chē)計(jì)劃2020年年底在重慶兩江新區(qū)投入示范運(yùn)營(yíng)。日本、韓國(guó)、美國(guó)、歐盟等發(fā)達(dá)國(guó)家和地區(qū)在燃料電池方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面資金投入大，基礎(chǔ)和前沿研究深入，在耐久性、功率密度和成本等方面取得了顯著進(jìn)步，已形成明顯的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。美國(guó)能源部（DOE）2019年12月發(fā)布燃料電池8級(jí)卡車(chē)發(fā)展目標(biāo)，2030年燃料電池系統(tǒng)壽命、峰值效率達(dá)到25000h和68%。沃爾沃、戴姆勒于2020年4月宣布將共同出資成立新的合資公司，研發(fā)、生產(chǎn)重型載貨車(chē)用燃料電池系統(tǒng)；現(xiàn)代汽車(chē)于2020年7月交付10臺(tái)XCIENT燃料電池重型載貨車(chē)，引領(lǐng)全球環(huán)保商用車(chē)市場(chǎng)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型升級(jí)；豐田和日野（Hino）聯(lián)合研發(fā)燃料電池重型載貨車(chē)樣車(chē)，計(jì)劃2025年推出產(chǎn)品。三、氫燃料電池應(yīng)用于重型載貨車(chē)面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)重型載貨車(chē)作為重要的生產(chǎn)資料，終端用戶(hù)更加關(guān)注車(chē)輛的全生命周期成本（購(gòu)置、燃料、持有等）、續(xù)駛里程、耐久性等關(guān)鍵指標(biāo)，表1顯示，氫燃料電池重型載貨車(chē)目前技術(shù)水平與美國(guó)能源部（DOE）目標(biāo)還具有較大差距。氫燃料電池重型載貨車(chē)只有在上述幾個(gè)方面取得突破才會(huì)進(jìn)入消費(fèi)者的視野。隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)水平的不斷提高與基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，從政府到企業(yè)不斷加大示范推廣力度和投入，同時(shí)傳統(tǒng)燃油車(chē)面臨著更加嚴(yán)苛的環(huán)保壓力，在未來(lái)一段時(shí)間內(nèi)通過(guò)在特定區(qū)域的示范與驗(yàn)證，氫燃料電池重型載貨車(chē)在耐久性、成本、續(xù)駛里程與加注效率等方面將會(huì)有持續(xù)性突破。表1?傳統(tǒng)重型載貨車(chē)與氫燃料電池重型載貨車(chē)對(duì)比及目標(biāo)

1mi=1.6093km.

（一）突破燃料電池大功率長(zhǎng)壽命關(guān)鍵技術(shù)相較于傳統(tǒng)重型載貨車(chē)，燃料電池重型載貨車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)功率至少達(dá)到300kW，壽命達(dá)30000h，系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率達(dá)60%以上，車(chē)輛續(xù)駛里程不低于1000km，才能滿(mǎn)足大范圍商業(yè)化應(yīng)用需求。據(jù)《新能源汽車(chē)推廣應(yīng)用推薦車(chē)型目錄》統(tǒng)計(jì)，當(dāng)前國(guó)內(nèi)燃料電池的功率等級(jí)范圍處于80~120kW、壽命在8000~10000h之間，為盡快實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源替代目標(biāo)，需集中優(yōu)勢(shì)力量、舉國(guó)體制突破燃料電池大功率、高耐久等關(guān)鍵技術(shù)，攻克低溫快速啟動(dòng)、壽命衰減機(jī)理等難題，提升燃料電池的環(huán)境適應(yīng)性，滿(mǎn)足燃料電池系統(tǒng)多工況運(yùn)行需求。燃料電池重型載貨車(chē)行車(chē)工況復(fù)雜多變，為提升車(chē)輛在復(fù)雜工況下動(dòng)力系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，燃料電池重型載貨車(chē)推廣應(yīng)用初期技術(shù)路線仍以“氫電混合”為主，借助鋰電池系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性與制動(dòng)能量回收等優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)開(kāi)展“氫電混合”安全策略、能量分配及能量耦合、系統(tǒng)節(jié)氫節(jié)電等技術(shù)研究，提升燃料電池重型載貨車(chē)?yán)m(xù)航里程與駕乘體驗(yàn)。（二）推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)降低氫能重型載貨車(chē)全生命周期成本從圖1所示重型載貨車(chē)全生命周期成本（TCO）對(duì)比圖來(lái)看，燃料費(fèi)用、購(gòu)買(mǎi)成本是燃料電池重型載貨車(chē)全生命周期成本的主要增量，也是降低成本的核心。圖1重型載貨車(chē)成本對(duì)比圖目前我國(guó)燃料電池產(chǎn)業(yè)正處于起步階段，核心材料和關(guān)鍵部件對(duì)國(guó)外產(chǎn)品依賴(lài)度較高；其次，現(xiàn)階段燃料電池汽車(chē)市場(chǎng)尚未形成，電堆以及系統(tǒng)零部件批量化程度低，制造成本居高不下，產(chǎn)品可靠性未經(jīng)過(guò)全面市場(chǎng)驗(yàn)證，導(dǎo)致整車(chē)購(gòu)置和后續(xù)持有成本高。針對(duì)燃料費(fèi)用高的問(wèn)題，結(jié)合我國(guó)氫能現(xiàn)狀及國(guó)家支持政策，充分利用現(xiàn)有化工副產(chǎn)氫、焦?fàn)t氣等資源，積極探索多元化的燃料電池汽車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景，加大燃料電池汽車(chē)推廣數(shù)量，拉動(dòng)氫氣需求量，目前部分地區(qū)氫氣價(jià)格為40~50元·kg?1；其次，發(fā)展可再生能源制氫等多種制氫方式，不斷擴(kuò)展氫氣來(lái)源，實(shí)現(xiàn)氫氣終端加注價(jià)格下降至30元·kg?1以下。（三）突破先進(jìn)氫氣存儲(chǔ)技術(shù)，提升車(chē)輛續(xù)航里程氫能重型載貨車(chē)具有高續(xù)航里程要求，但限于氫氣物理特性，目前較成熟的35MPa（Ⅲ型瓶）高壓氣態(tài)車(chē)載儲(chǔ)氫方案的儲(chǔ)氫量基本在20~30kg左右，車(chē)輛續(xù)航里程為150~300km，僅可實(shí)現(xiàn)短距離場(chǎng)景運(yùn)行（圖2）。為提升氫氣儲(chǔ)量、滿(mǎn)足車(chē)輛長(zhǎng)續(xù)航需求，需重點(diǎn)攻克儲(chǔ)氫壓力等級(jí)提升、先進(jìn)儲(chǔ)氫方案開(kāi)發(fā)、整車(chē)儲(chǔ)氫系統(tǒng)布局優(yōu)化等技術(shù)，比如，目前國(guó)內(nèi)正在開(kāi)發(fā)的高儲(chǔ)氫密度、高輕量化的70MPaⅣ型儲(chǔ)氫瓶，可滿(mǎn)足城際等綜合行駛里程超過(guò)500km的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求；未來(lái)隨著液氫儲(chǔ)存技術(shù)或其他先進(jìn)儲(chǔ)氫技術(shù)的不斷成熟，重型載貨車(chē)?yán)m(xù)航里程可提升至千公里，徹底解決車(chē)輛續(xù)航焦慮問(wèn)題，促進(jìn)氫能重型載貨車(chē)的市場(chǎng)應(yīng)用。圖2燃料電池重型載貨車(chē)典型儲(chǔ)氫系統(tǒng)布置方案（四）制定高速大容量氫燃料加注協(xié)議，加快燃料加注速度目前車(chē)用氫氣加注主要采用SAEJ2601標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的協(xié)議，最大加注速度上限為60g·s?1，對(duì)于儲(chǔ)氫量大的氫能重型載貨車(chē)來(lái)講，加注時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，不能滿(mǎn)足用戶(hù)對(duì)運(yùn)營(yíng)效率的需求，如尼古拉提出15min內(nèi)實(shí)現(xiàn)80kg的加注目標(biāo)，美國(guó)DOE加注速度目標(biāo)為2030年實(shí)現(xiàn)8kg·min?1。隨著儲(chǔ)氫技術(shù)的不斷成熟和加注過(guò)程監(jiān)控手段日益完善，加注速度會(huì)顯著提升。國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)正在積極開(kāi)展快速加注技術(shù)研究，但尚未形成普適性標(biāo)準(zhǔn)。亟需通過(guò)技術(shù)提升，建立適合我國(guó)法規(guī)要求的快速加注標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（包括液氫或深冷的加注協(xié)議），將氫氣加注速度提升至175g·s?1以上（10.5kg·min?1），最大化滿(mǎn)足氫能重型載貨車(chē)的運(yùn)營(yíng)效率需求。四、展望燃料電池重型載貨車(chē)具備節(jié)能環(huán)保、續(xù)駛里程長(zhǎng)、使用便捷等優(yōu)勢(shì)，是我國(guó)商用車(chē)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要發(fā)展方向，其大規(guī)模的市場(chǎng)應(yīng)用能夠?yàn)槲覈?guó)降低石油消耗、減少污染物排放等工作提供強(qiáng)力支撐，是我國(guó)實(shí)現(xiàn)2060年“碳中和”目標(biāo)的重要組成部分。并且我國(guó)擁有豐富燃料電池重型載貨車(chē)應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)需求，燃料電池重型載貨車(chē)將會(huì)在我國(guó)實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V，具備非常光明的應(yīng)用前景。目前我國(guó)正致力于氫能及燃料電池的核心技術(shù)