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谭少军:从燃料电池客车看氢能的前景、现状和制约

谭少军:从燃料电池客车看氢能的前景、现状和制约   2018年1月18日—19日,由中国公路学会客车分会与常州长江玻璃有限公司联合主办的2017年中国客车学术年会在江苏常州隆重召开。在19日举办的

谭少军:从燃料电池客车看氢能的前景、现状和制约

  2018年1月18日—19日,由中国公路学会客车分会与常州长江玻璃有限公司联合主办的2017年中国客车学术年会在江苏常州隆重召开。在19日举办的客车新技术交流会上,佛山市飞驰汽车制造有限公司(简称“飞驰汽车”)总工程师谭少军就《引领氢能,共创未来——燃料电池在客车上的应用》为题做了专题演讲,从发展氢能的意义、飞驰燃料电池客车的基本介绍、示范运营情况介绍及制约因素四个方面探讨了当前最为热门的氢燃料电池客车话题。

 

  燃料电池车或成理想替代方案

  从1993年开始,我国成为能源净进口国。据预测,到2050年能源短缺将有24%左右,其中石油缺额可能多达4.4亿吨标煤。国际局势的不断变动牵动着能源价格,化石燃料价格上涨的趋势不可阻挡,我国能源供应的安全性必将受到威胁。

  与此同时,新的经济浪潮对能源需求的日益增加,全球经济的一体化进程,都对新能源的开发产生了支持、推动和刺激作用。

  而另一个导致我国迫切进行能源变革的原因就是环境污染的愈发加剧。2015年在巴黎召开的联合国气候大会(COP21)上,195个国家同意将全球变暖趋势控制在2摄氏度以内。为了达到这个目标,世界将需要在2050年前将二氧化碳排放量减少60%,这需要我们的能源系统进行大面积改革。

  如今的交通运输部门几乎完全依赖于化石燃料,其中超过20%的二氧化碳排放都是由交通运输所产生的。

  对此,《中国制造2025》、《汽车产业中长期发展规划》、《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》等规划中都将发展氢能和燃料电池技术列为重点任务,将燃料电池汽车列为重点支持领域。

  地方政府也积极响应国家政策,上海市率先发布《上海市燃料电池汽车发展规划》,广东佛山、湖北武汉、江苏如皋、浙江台州等地方政府也都为各自地区的燃料电池汽车产业发展提供政策支持,建立产业园区,引进整车企业及零部件生产厂家,共同推进氢能及燃料电池汽车的产业化发展。

  随着燃油车禁售时间表的研究制定以及双积分政策的近期出台,燃油汽车禁售产生的需求缺口将由新能源车来填补,燃料电池车作为新能源车的子类,近乎零排放,相比纯电动汽车续航里程更高、补给时间更短,因而也是传统燃油汽车的理想替代方案。

  飞驰燃料电池客车产品有何优势?

  为了迎合市场对氢燃料电池客车的巨大需求,飞驰汽车积极探索燃料电池客车。飞驰燃料电池客车的技术路线采用质子交换膜燃料电池(FEMFC)和以燃料电池为主动力源的电-电混合动力系统架构。

  出于商业化运营的最终目的,必须保证车辆工作的稳定性及寿命,飞驰客车目前的技术路线采用石墨板质子交换膜燃料电池电堆,采用外部增湿形式,该类电池以加拿大巴拉德公司为代表,电池寿命达12000h以上。其中,石墨导电板导电性好,耐腐蚀性强,组成系统后表现为寿命长、稳定性好,体积功率密度低;外部增湿的优点是性能稳定、寿命长。

  国内外对燃料电池汽车制定了很多标准和规范,其中65%以上的内容是针对安全性的规定。燃料电池汽车的氢安全性,主要是指燃料电池汽车运行过程中车载氢系统的安全,主要包括高压供氢系统、燃料电池发电系统的安全性等。目前,为了保证车载氢系统的安全,飞驰汽车安全设计上主要从材料选择、氢泄露监测、静电防护、防爆、阻燃等方面进行预防和控制。

  据介绍,飞驰燃料电池客车系统安全设计分为以下几个方面:氢系统的泄露监控及报警、氢系统的泄压保护、燃料电池系统的防撞设计及碰撞后保护、燃料电池系统舱体的通风设计及泄露报警、绝缘防护设计及监测。

  此外,通过对燃料电池实车进行了侧倾稳定性试验,和对燃料电池大客车侧翻状态下氢系统和燃料电池的加速度和动态位移情况进行了仿真研究。结果表明,燃料电池和氢气瓶能达到预期所规范的要求。

  飞驰燃料电池客车动力架构基本都采用了燃料电池+动力电池的设计方式,即增加动力电池通过电力装置与燃料电池进行并网供电,动力电池用于提供峰值功率,用于补充汽车在加速、爬坡等工况下燃料电池输出功率的不足,同时在巡航、减速、停车时吸收燃料电池发出的电能以及吸收制动能量,从而提高整个车辆的动力系统的效率。

  燃料电池系统和动力电池系统的配备主要考虑以燃料电池为主动力源,即燃料电池的额定功率大于整车线路运行的平均功率,动力电池的功率能满足起步和制动时的峰值功率。这样整车运行期间,可以不需外接充电模式(正常的动力电池维护除外)。

  以飞驰FSQ6860FCEVG型燃料电池客车为例,按照佛山的城市道路工况计算及仿真,整车平均需求功率为25KW,最终选择了额定功率30KW的燃料电池系统;动力电池主要提供峰值功率,则我们选取额定功率90KW,峰值功率大于130KW的动力电池系统;通过对特定环境(城市道路工况)进行计算与仿真,各项参数满足设计要求,同时最大限度利用了燃料电池的能力,降低了整车成本。

  目前,飞驰汽车已形成覆盖7米、8米、11米、12米的系列燃料电池客车产品。其中,11米车型最多已运营15万公里,平均气耗百公里7.37kg。

关键部件和配套是主要制约:

  目前,制约我国燃料电池汽车商业化发展的技术因素包括燃料电池耐久性、关键材料及核心零部件等问题。在燃料电池耐久性方面,国内相关企业燃料电池的稳定寿命在3000h左右,而国际先进水平已经超过10000h;我国燃料电池关键材料如催化剂,质子交换膜、碳纸等还处于实验室和样品阶段,空气压缩机和氢气循环泵等关键部件还没有成熟可靠的零部件供应商。

  另外,现阶段我国车用储氢瓶还是使用压力为35MPa的碳纤维缠绕金属内胆气瓶,储氢密度为3.9%,而国外基本均采用70 MPa的碳纤维缠绕塑料内胆气瓶,储氢密度达到5.5%。

  另一方面,截至2017年10月底,全球正在运营的加氢站有274座,而中国仅有7座,基础设施严重落后,无法支撑燃料电池汽车的商业化。从汽车产业100多年的发展史来看,不管传统燃油汽车与燃油供给体系,还是电动汽车与电能供给体系,车辆技术都一直是与能源供给体系协同发展。在燃料电池汽车商业化推广初期,我国应该吸取纯电动汽车发展初期因充电基础设施不足而制约电动汽车产业发展的经验教训。因此,燃料电池汽车的商业化推广离不开制氢、运氢及储氢等配套设施的协同发展。

  通过对法规、政策、市场、技术、设施和安全等因素分析,我国要实现燃料电池汽车大规模商业化的发展还有很多工作要做,尤其需要进一步加强市场推广力度、完善加氢站等基础设施建设和提高消费者对氢安全的认知程度。根据我国对燃料电池汽车发展的规划,在不久的将来,燃料电池公交客车成为人们出行的交通工具是完全有可能的。

 

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