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卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2020-03-17 22:59:57·  來源：電動學(xué)堂  
　
文章來源：《卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀》DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.05.036卡車用燃料電池系統(tǒng)是目前國內(nèi)交付量最大的燃料電池產(chǎn)品，也是燃料電池系統(tǒng)
文章來源：《卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀》DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.05.036
 
卡車用燃料電池系統(tǒng)是目前國內(nèi)交付量最大的燃料電池產(chǎn)品，也是燃料電池系統(tǒng)中最核心的研究領(lǐng)域。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)專利分布的研究可知，目前國內(nèi)的卡車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的專利仍集中在國外企業(yè)，其專利分布是以系統(tǒng)和其控制方法相關(guān)的研究最多，其次是燃料電池電極以及電堆相關(guān)的研究。隨著國內(nèi)對于燃料電池行業(yè)的關(guān)注度的提升，國內(nèi)卡車用燃料電池的技術(shù)研究也不斷發(fā)展，未來仍需在加大產(chǎn)品功率、提升產(chǎn)品可靠性和降低產(chǎn)品成本方向上加大開發(fā)力度，推動燃料電池行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
 
1 我國燃料電池卡車行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
 
目前每年的汽車尾氣排放中，卡車的NOX以及PM排放量均高居榜首。2018年環(huán)保局數(shù)據(jù)統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，全部卡車的NOX和PM排放量占總排放量的84%和78%，特別是重卡，在這兩個方向上均為最主要的污染源。因此，為完成2030年的減排指標，卡車行業(yè)的節(jié)能減排勢在必行，純電動重卡、燃料電池重卡、甲醇重卡這些細分市場逐步興起。從2013年開始，新能源卡車市場銷量逐漸上升。從2013年全國僅不足2000臺的銷量一直到2017年的年銷量突破15萬，但由于補貼政策的退坡，對于該領(lǐng)域也有一定影響，2018年市場銷量下降至11萬輛。
 
隨著新能源卡車市場的不斷升溫，燃料電池卡車由于其節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)效率高、續(xù)駛里程長等優(yōu)勢，也成為了各企業(yè)關(guān)注的產(chǎn)品開發(fā)方向。從2016年開始燃料電池卡車行業(yè)的卡車銷量呈上升趨勢，但卻并不穩(wěn)定，特別2018年的交付量較低，整體行業(yè)受產(chǎn)業(yè)政策和地方政府驅(qū)動方案影響較大。其中主要的生產(chǎn)廠家為中通客車、東風(fēng)汽車和上汽大通。
 
截至到2019年9月，已經(jīng)有9家車企的34款氫燃料電池卡車進入了推薦目錄，其中東風(fēng)、中通的車型分布最多，分別占50%和14%，但這些車型大多未形成持續(xù)的銷售訂單，這與燃料電池系統(tǒng)技術(shù)更迭和國家補貼政策的變化均有關(guān)聯(lián)度。而推薦目錄中的車型主要以7-9噸的中卡為主，占所有車型的97%，而燃料電池系統(tǒng)的額定功率大多在30kW，占全部車型的73%。隨著技術(shù)的不斷進步以及補貼政策要求的提升，系統(tǒng)功率也在逐漸提升，從2018年開始已經(jīng)逐漸向60kW系統(tǒng)提升（ 圖1）。
 
2 卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
對卡車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)專利進行檢索，其中主要的專利申請人為現(xiàn)代自動車株式會社和起亞自動車株式會社，兩個申請人的專利占整個專利的數(shù)量的60%以上，對目前國內(nèi)的卡車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)專利進行方向分析，其主要涉獵的技術(shù)領(lǐng)域如圖2，其中燃料電池系統(tǒng)以及控制相關(guān)的專利數(shù)量最多，其次為燃料電池電極和電堆的相關(guān)研究。
 
在上述專利中選取典型的專利進行分析：
CN110190299A描述了一種豐田汽車公司開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)及控制方法，其主要有燃料電池系統(tǒng)、燃料氣體供給系統(tǒng)、氧化劑氣體供給系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)和發(fā)電控制系統(tǒng)以及負載。其中最主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計即為燃料氣體供給系統(tǒng)中的高壓、中壓以及低壓燃料氣體供氣管路的設(shè)計。其中高壓燃料氣體管路中利用噴射器對燃料氣體的壓力與流量進行調(diào)節(jié)并向下游噴射。而在低壓燃料氣體管路中則采用回流泵將將反應(yīng)氣體重新送至燃料電池系統(tǒng)入口，以提升氫氣利用率。
CN109904509A本描述了現(xiàn)代汽車開發(fā)的一種燃料電池堆及其組裝方法。相對于傳統(tǒng)的利用螺栓或者利用螺桿和螺母將緊固帶組裝至端板上的組裝方式，本專利中所描述的組裝方式是利用保護燃料電池的封閉件對燃料電池進行加壓和密封，從而可減少組裝程序和組裝組件。
CN110492128A描述了現(xiàn)代汽車開發(fā)的一種燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)，主要是通過設(shè)計旁通流動路徑，使得在空氣壓力突然增加或者長期停車時，可有不經(jīng)過流體分配區(qū)的相對短的空氣擴散路徑，以避免燃料電池的膜電極頻繁地暴露于空氣的區(qū)域中，從而減少聚合物電解質(zhì)膜的劣化現(xiàn)象。
CN1370334A描述了戈爾公司開發(fā)的一種膜電極技術(shù)，其中包括催化層、質(zhì)子交換膜以及膜電極的基本組成、技術(shù)參數(shù)和制備工藝。其中催化層包含至少兩種不同催化劑活性組分，其主要組分為鉑和釕，其擔載量范圍在0.02-0.5mg/cm2之間。所選用的質(zhì)子交換膜厚度范圍為3-75μm，其透氣度為大于10000秒的Gurley數(shù)。在制備過程中可采用多項手段（如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、熱沉積、離子噴鍍等）手段進行電極的制備。經(jīng)多個實施例的證明，該膜電極有著良好的性能，特別是抗CO能力更為突出。
3 我國燃料電池卡車運行經(jīng)濟性分析目前燃料電池卡車的車型主要是中卡系列，一般用于城市內(nèi)部的物流配送。其運行模式主要是以物流運營公司驅(qū)動，采用租賃方式滿足不同客戶的物流需求。由于目前示范運行量并不高，全國示范運行量在千臺左右，因此還需要不斷地驗證產(chǎn)品的可靠性、運營模式的適應(yīng)性以及全生命周期的經(jīng)濟性。目前仍缺乏輕卡和重卡的示范運營的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
為更好地分析燃料電池卡車的運行經(jīng)濟性，分別對燃料電池重卡、中卡以及輕卡三種車型進行了模型分析，基本假設(shè)如下：
（1）單座加氫站加注能力為500kg/8h，可對應(yīng)50臺重卡、100臺中卡和150臺輕卡，加氫站建設(shè)成本1000萬元/座，氫氣加注費用40元/kg，運營費10元/kg。
（2）燃料電池重卡、中卡和輕卡的售價分別為120萬、80萬和40萬，對應(yīng)的百公里耗氫量分別為4kg、3.5kg和2.5kg，燃料電池功率分別為80kW、40kW和20kW，按照國補與地補的比例為1:0.5，則對應(yīng)的補助為60萬元/臺、60萬元/臺和18萬元/臺，全部燃料電池卡車的日運行的里程為300km。
 
（3）產(chǎn)品的生命周期為8年，車隊規(guī)模為1000臺。根據(jù)上述假設(shè)，對三種車型運行進行經(jīng)濟性分析，分析結(jié)果如圖3。全生命周期內(nèi)，重卡的綜合成本最高，而輕卡則最低。這與目前傳統(tǒng)行業(yè)的情況類似。但是這三種車型中，三種不同成本的比例卻是一致，均為基礎(chǔ)設(shè)施攤銷比例最低，車輛購置成本居中，而運行成本最高。其中，運行成本包括加氫站的氫氣費用和加氫站的運行維護費用等。這主要與目前我國氫氣資源分布不均衡，氫氣制取、配送以及加注相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與燃料電池汽車規(guī)?；枨蟛黄ヅ湓斐傻摹１敬渭僭O(shè)是以1000輛車輛進行測算，并不算真正的規(guī)模化運行。經(jīng)過新一輪的實際示范運行后，加氫站的運行模式將會得到新的一輪驗證，同時也會更加完善，整體的運行成本也將會有大幅度的下降。預(yù)計整體運行規(guī)模超過萬臺以上，整體的運行成本將會有大規(guī)模下降，單臺車全生命周期綜合成本可基本達到與傳統(tǒng)柴油車持平。
 
4 結(jié)論
 
目前，燃料電池卡車的運行已經(jīng)進入了初級商業(yè)化階段，但由于示范項目和商業(yè)化運行樣本相對較少，因此發(fā)展仍存發(fā)展瓶頸，其中最主要的挑戰(zhàn)是燃料電池的高功率化和運行成本的問題，特別在經(jīng)濟性分析時，與低成本、高功率的柴油動力卡車的對標使得燃料電池卡車的經(jīng)濟性較弱。但若綜合考量污染物排放和環(huán)境因素，則燃料電池卡車的優(yōu)勢將比較明顯。因此，持續(xù)提升產(chǎn)品的技術(shù)的成熟度和可靠性同時，多選擇有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的重點地區(qū)開展商業(yè)化示范運營，通過一定規(guī)模的使用促進技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟，加快提高燃料電池系統(tǒng)的性能水平，將成為未來發(fā)展的重點。
 
 
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