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        氫燃料電池在重型載貨車上的應(yīng)用

        2021-11-23 00:19:16譚旭光陳文淼潘鳳文
        工程 2021年6期
        關(guān)鍵詞:載貨車儲(chǔ)氫氫能

        譚旭光,陳文淼,潘鳳文

        Weichai Power Co., Ltd., Weifang 261061, China

        1. 氫燃料電池應(yīng)用于重型載貨車的戰(zhàn)略意義

        重型載貨車是全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要組成部分。2019年,我國(guó)重型載貨車銷售117.4萬輛;2020年1~10月份累計(jì)銷量達(dá)到137.37萬輛。重型載貨車銷量增長(zhǎng)的同時(shí)也帶來了能源消耗量大、污染物排放高的問題。據(jù)統(tǒng)計(jì),石油消費(fèi)總量約有50%來自于交通運(yùn)輸業(yè)[1];2019年重型載貨車NOx排放量超過汽車排放總量的74%,PM排放量超過52.4% [2]。因此,在重型載貨車領(lǐng)域開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。氫氣無碳、來源廣、可再生,開展氫能在交通領(lǐng)域的規(guī)?;瘧?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《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021—2035年)》(以下簡(jiǎn)稱《規(guī)劃》),《規(guī)劃》指出,力爭(zhēng)經(jīng)過15年的持續(xù)努力,燃料電池汽車要實(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[3]。與純電動(dòng)汽車相比,氫燃料電池汽車在燃料加注時(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,燃料電池是更具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的零排放技術(shù)方案。同乘用車相比,重型載貨車的運(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的戰(zhàn)略引導(dǎo)作用高于乘用車。

        2. 氫燃料電池重型載貨車發(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和物流運(yùn)輸車輛,在重型載貨車上的應(yīng)用仍沒有取得突破。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,用于港口物料運(yùn)輸;2019年11月,陜西重型汽車有限公司推出搭載濰柴氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的49 t重型載貨車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,佛山市飛馳汽車科技有限公司研發(fā)完成氫燃料電池牽引車的整車制造,正在開展相關(guān)測(cè)試;2020年3月江鈴重型汽車有限公司交付10臺(tái)江鈴?fù)垰淠苤匦洼d貨車,并在上海展開示范運(yùn)營(yíng);上汽依維柯紅巖商用車有限公司首臺(tái)氫燃料電池重型載貨車計(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)卡車發(fā)展目標(biāo),2030年燃料電池系統(tǒng)壽命、峰值效率達(dá)到25 000 h和68% [4]。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)重型載貨車用燃料電池系統(tǒng);現(xiàn)代汽車于2020年7月交付10臺(tái)XCIENT燃料電池重型載貨車,引領(lǐng)全球環(huán)保商用車市場(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樣車,計(jì)劃2025年推出產(chǎn)品。

        3. 氫燃料電池應(yīng)用于重型載貨車面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)

        重型載貨車作為重要的生產(chǎn)資料,終端用戶更加關(guān)注車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[5]。氫燃料電池重型載貨車只有在上述幾個(gè)方面取得突破才會(huì)進(jìn)入消費(fèi)者的視野。

        表1 傳統(tǒng)重型載貨車與氫燃料電池重型載貨車對(duì)比及目標(biāo)[5]

        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)燃油車面臨著更加嚴(yán)苛的環(huán)保壓力,在未來一段時(shí)間內(nèi)通過在特定區(qū)域的示范與驗(yàn)證,氫燃料電池重型載貨車在耐久性、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。

        3.1. 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,燃料電池重型載貨車動(dòng)力系統(tǒng)功率至少達(dá)到300 kW,壽命達(dá)30 000 h,系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)效率達(dá)60%以上,車輛續(xù)駛里程不低于1000 km,才能滿足大范圍商業(yè)化應(yīng)用需求。據(jù)《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》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80~120 kW、壽命在8000~10 000 h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行車工況復(fù)雜多變,為提升車輛在復(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),通過開展“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?yán)m(xù)航里程與駕乘體驗(yàn)。

        3.2. 推動(dòng)產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)降低氫能重型載貨車全生命周期成本

        從圖1所示重型載貨車全生命周期成本(TCO)對(duì)比圖來看[6],燃料費(fèi)用、購(gòu)買成本是燃料電池重型載貨車全生命周期成本的主要增量,也是降低成本的核心。

        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)品依賴度較高;其次,現(xiàn)階段燃料電池汽車市場(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)過全面市場(chǎng)驗(yàn)證,導(dǎo)致整車購(gòu)置和后續(xù)持有成本高。

        針對(duì)燃料費(fèi)用高的問題,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應(yīng)用場(chǎng)景,加大燃料電池汽車推廣數(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)展氫氣來源,實(shí)現(xiàn)氫氣終端加注價(jià)格下降至30元·kg?1以下。

        3.3. 突破先進(jìn)氫氣存儲(chǔ)技術(shù),提升車輛續(xù)航里程

        氫能重型載貨車具有高續(xù)航里程要求,但限于氫氣物理特性,目前較成熟的35 MPa(Ⅲ型瓶)高壓氣態(tài)車載儲(chǔ)氫方案的儲(chǔ)氫量基本在20~30 kg左右,車輛續(xù)航里程為150~300 km,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、滿足車輛長(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)氫方案開發(fā)、整車儲(chǔ)氫系統(tǒng)布局優(yōu)化等技術(shù),比如,目前國(guó)內(nèi)正在開發(fā)的高儲(chǔ)氫密度、高輕量化的70 MPa Ⅳ型儲(chǔ)氫瓶,可滿足城際等綜合行駛里程超過500 km的運(yùn)營(yíng)場(chǎng)景需求;未來隨著液氫儲(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?yán)m(xù)航里程可提升至千公里,徹底解決車輛續(xù)航焦慮問題,促進(jìn)氫能重型載貨車的市場(chǎng)應(yīng)用。

        圖1. 重型載貨車成本對(duì)比圖[6]。

        3.4. 制定高速大容量氫燃料加注協(xié)議,加快燃料加注速度

        目前車用氫氣加注主要采用SAE J2601標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定的協(xié)議,最大加注速度上限為60 g·s?1,對(duì)于儲(chǔ)氫量大的氫能重型載貨車來講,加注時(shí)間過長(zhǎng),不能滿足用戶對(duì)運(yùn)營(yíng)效率的需求,如尼古拉提出15 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)80 kg的加注目標(biāo),美國(guó)DOE加注速度目標(biāo)為2030年實(shí)現(xiàn) 8 kg·min?1。隨著儲(chǔ)氫技術(shù)的不斷成熟和加注過程監(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175 g·s?1以上(10.5 kg·min?1),最大化滿足氫能重型載貨車的運(yùn)營(yíng)效率需求。

        4. 展望

        圖2. 燃料電池重型載貨車典型儲(chǔ)氫系統(tǒng)布置方案。

        燃料電池重型載貨車具備節(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應(yīng)用場(chǎng)景和市場(chǎng)需求,燃料電池重型載貨車將會(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)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)等工作,實(shí)施了氫燃料電池汽車示范城市群項(xiàng)目,通過示范應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)拉動(dòng)效應(yīng),能夠逐步攻克燃料電池核心技術(shù)、降低燃料電池汽車購(gòu)置成本;同時(shí)建立大規(guī)模低成本的氫能供應(yīng)體系,完善氫能基礎(chǔ)設(shè)施布局,降低氫氣價(jià)格和提升氫氣加注便捷性。結(jié)合我國(guó)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀,預(yù)計(jì)燃料電池重型載貨車會(huì)在未來5~10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營(yíng),逐步替代傳統(tǒng)燃油車市場(chǎng)。

        致謝

        作者感謝國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目(2018YFB0106500)提供的支持。

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