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譚少軍:從燃料電池客車看氫能的前景、現狀和制約

譚少軍:從燃料電池客車看氫能的前景、現狀和制約   2018年1月18日—19日,由中國公路學會客車分會與常州長江玻璃有限公司聯合主辦的2017年中國客車學術年會在江蘇常州隆重召開。在19日舉辦的

譚少軍:從燃料電池客車看氫能的前景、現狀和制約

  2018年1月18日—19日,由中國公路學會客車分會與常州長江玻璃有限公司聯合主辦的2017年中國客車學術年會在江蘇常州隆重召開。在19日舉辦的客車新技術交流會上,佛山市飛馳汽車制造有限公司(簡稱“飛馳汽車”)總工程師譚少軍就《引領氫能,共創未來——燃料電池在客車上的應用》為題做了專題演講,從發展氫能的意義、飛馳燃料電池客車的基本介紹、示范運營情況介紹及制約因素四個方面探討了當前最為熱門的氫燃料電池客車話題。

 

  燃料電池車或成理想替代方案

  從1993年開始,我國成為能源凈進口國。據預測,到2050年能源短缺將有24%左右,其中石油缺額可能多達4.4億噸標煤。國際局勢的不斷變動牽動著能源價格,化石燃料價格上漲的趨勢不可阻擋,我國能源供應的安全性必將受到威脅。

  與此同時,新的經濟浪潮對能源需求的日益增加,全球經濟的一體化進程,都對新能源的開發產生了支持、推動和刺激作用。

  而另一個導致我國迫切進行能源變革的原因就是環境污染的愈發加劇。2015年在巴黎召開的聯合國氣候大會(COP21)上,195個國家同意將全球變暖趨勢控制在2攝氏度以內。為了達到這個目標,世界將需要在2050年前將二氧化碳排放量減少60%,這需要我們的能源系統進行大面積改革。

  如今的交通運輸部門幾乎完全依賴于化石燃料,其中超過20%的二氧化碳排放都是由交通運輸所產生的。

  對此,《中國制造2025》、《汽車產業中長期發展規劃》、《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》等規劃中都將發展氫能和燃料電池技術列為重點任務,將燃料電池汽車列為重點支持領域。

  地方政府也積極響應國家政策,上海市率先發布《上海市燃料電池汽車發展規劃》,廣東佛山、湖北武漢、江蘇如皋、浙江臺州等地方政府也都為各自地區的燃料電池汽車產業發展提供政策支持,建立產業園區,引進整車企業及零部件生產廠家,共同推進氫能及燃料電池汽車的產業化發展。

  隨著燃油車禁售時間表的研究制定以及雙積分政策的近期出臺,燃油汽車禁售產生的需求缺口將由新能源車來填補,燃料電池車作為新能源車的子類,近乎零排放,相比純電動汽車續航里程更高、補給時間更短,因而也是傳統燃油汽車的理想替代方案。

  飛馳燃料電池客車產品有何優勢?

  為了迎合市場對氫燃料電池客車的巨大需求,飛馳汽車積極探索燃料電池客車。飛馳燃料電池客車的技術路線采用質子交換膜燃料電池(FEMFC)和以燃料電池為主動力源的電-電混合動力系統架構。

  出于商業化運營的最終目的,必須保證車輛工作的穩定性及壽命,飛馳客車目前的技術路線采用石墨板質子交換膜燃料電池電堆,采用外部增濕形式,該類電池以加拿大巴拉德公司為代表,電池壽命達12000h以上。其中,石墨導電板導電性好,耐腐蝕性強,組成系統后表現為壽命長、穩定性好,體積功率密度低;外部增濕的優點是性能穩定、壽命長。

  國內外對燃料電池汽車制定了很多標準和規范,其中65%以上的內容是針對安全性的規定。燃料電池汽車的氫安全性,主要是指燃料電池汽車運行過程中車載氫系統的安全,主要包括高壓供氫系統、燃料電池發電系統的安全性等。目前,為了保證車載氫系統的安全,飛馳汽車安全設計上主要從材料選擇、氫泄露監測、靜電防護、防爆、阻燃等方面進行預防和控制。

  據介紹,飛馳燃料電池客車系統安全設計分為以下幾個方面:氫系統的泄露監控及報警、氫系統的泄壓保護、燃料電池系統的防撞設計及碰撞后保護、燃料電池系統艙體的通風設計及泄露報警、絕緣防護設計及監測。

  此外,通過對燃料電池實車進行了側傾穩定性試驗,和對燃料電池大客車側翻狀態下氫系統和燃料電池的加速度和動態位移情況進行了仿真研究。結果表明,燃料電池和氫氣瓶能達到預期所規范的要求。

  飛馳燃料電池客車動力架構基本都采用了燃料電池+動力電池的設計方式,即增加動力電池通過電力裝置與燃料電池進行并網供電,動力電池用于提供峰值功率,用于補充汽車在加速、爬坡等工況下燃料電池輸出功率的不足,同時在巡航、減速、停車時吸收燃料電池發出的電能以及吸收制動能量,從而提高整個車輛的動力系統的效率。

  燃料電池系統和動力電池系統的配備主要考慮以燃料電池為主動力源,即燃料電池的額定功率大于整車線路運行的平均功率,動力電池的功率能滿足起步和制動時的峰值功率。這樣整車運行期間,可以不需外接充電模式(正常的動力電池維護除外)。

  以飛馳FSQ6860FCEVG型燃料電池客車為例,按照佛山的城市道路工況計算及仿真,整車平均需求功率為25KW,最終選擇了額定功率30KW的燃料電池系統;動力電池主要提供峰值功率,則我們選取額定功率90KW,峰值功率大于130KW的動力電池系統;通過對特定環境(城市道路工況)進行計算與仿真,各項參數滿足設計要求,同時最大限度利用了燃料電池的能力,降低了整車成本。

  目前,飛馳汽車已形成覆蓋7米、8米、11米、12米的系列燃料電池客車產品。其中,11米車型最多已運營15萬公里,平均氣耗百公里7.37kg。

關鍵部件和配套是主要制約:

  目前,制約我國燃料電池汽車商業化發展的技術因素包括燃料電池耐久性、關鍵材料及核心零部件等問題。在燃料電池耐久性方面,國內相關企業燃料電池的穩定壽命在3000h左右,而國際先進水平已經超過10000h;我國燃料電池關鍵材料如催化劑,質子交換膜、碳紙等還處于實驗室和樣品階段,空氣壓縮機和氫氣循環泵等關鍵部件還沒有成熟可靠的零部件供應商。

  另外,現階段我國車用儲氫瓶還是使用壓力為35MPa的碳纖維纏繞金屬內膽氣瓶,儲氫密度為3.9%,而國外基本均采用70 MPa的碳纖維纏繞塑料內膽氣瓶,儲氫密度達到5.5%。

  另一方面,截至2017年10月底,全球正在運營的加氫站有274座,而中國僅有7座,基礎設施嚴重落后,無法支撐燃料電池汽車的商業化。從汽車產業100多年的發展史來看,不管傳統燃油汽車與燃油供給體系,還是電動汽車與電能供給體系,車輛技術都一直是與能源供給體系協同發展。在燃料電池汽車商業化推廣初期,我國應該吸取純電動汽車發展初期因充電基礎設施不足而制約電動汽車產業發展的經驗教訓。因此,燃料電池汽車的商業化推廣離不開制氫、運氫及儲氫等配套設施的協同發展。

  通過對法規、政策、市場、技術、設施和安全等因素分析,我國要實現燃料電池汽車大規模商業化的發展還有很多工作要做,尤其需要進一步加強市場推廣力度、完善加氫站等基礎設施建設和提高消費者對氫安全的認知程度。根據我國對燃料電池汽車發展的規劃,在不久的將來,燃料電池公交客車成為人們出行的交通工具是完全有可能的。

 

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