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行业综述-燃料电池专用车

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行业综述-燃料电池专用车

作者:
康启平 刘艳秋
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/09/07 10:40
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一、燃料电池专用车产业的总体情况

 

1、国际情况:欧、美、日、韩等国家在推出燃料电池乘用车的同时,也在积极研发燃料电池专用车。

 

早在2017年4月,丰田发布了其精心打造的零排放氢燃料重型卡车车队的计划,希望借此解决目前汽车燃料的瓶颈问题。丰田氢燃料重卡配备了两个Mirai氢燃料电池堆以及一块12kWh容量动力电池,其输出功率可达670马力,续驶里程可以达到320公里,最大载重为36.3吨。同时,丰田还在美国港口城市洛杉矶,开始对氢燃料电池重型卡车进行可行性测试研究。

 

2017年9月,UPS联邦快递公司在美国加利福利亚州萨克拉门托市投放氢燃料电池物流车。UPS与美国能源部紧密合作,虽然仅有200km增程距离,但这台物流车已经过5000小时运营测试,参与试运营的物流车更有利于加州各地加氢站的建设。

 

2017年11月德国邮政DHL集团加入燃料电池汽车阵营,这些燃料电池汽车具有80公里续航里程,最高速度85公里/小时,并且在不久的将来可以实现200公里的续航里程和约120公里的最高时速。德国邮政现在正在测试StreetScooter WORKL公司为燃料电池汽车提供的数百台驱动装置。配备这些驱动装置的这些车辆续航里程可达500多公里,德国邮政DHL集团计划在未来两年进行试运行工作。

 

Nikola One是美国尼古拉卡车在2016年5月发布的一款概念型燃料电池电动卡车。这款H2型号的卡车采用氢燃料电池、320kWh锂离子电池,以及纯电传动系统的组合(概念车上共有6个驱动电机,每轴一个)。据了解,尼古拉氢燃料重卡的输出功率最高可达1000马力,按照氢气罐体容量的不同,续驶里程从1287公里至1931公里,全面超越传统柴油卡车,尼古拉卡车计划于2020年正式推向市场。随后在2018年5月安海斯布希公司向尼古拉公司订购了800辆氢燃料电池卡车,这些卡车的估计航程在500到1,200英里之间,量产预计将在2020年开始。

 

2018年1月在Tractebel协调下,启动了欧洲可持续清洁城市垃圾运输的燃料电池垃圾车项目,联合电动车和燃料电池制造商共同合作开发高性能燃料电池垃圾车。

 

2018年9月,现代汽车与瑞士H2 Energy公司签署了关于提供氢燃料电池重卡产品的谅解备忘录(MOU):从2019年开始,现代汽车将在为期五年的时间里,向H2 Energy公司提供1000台氢燃料电池重卡,车型包括冷藏车及一般箱体车。它采用适用于NEXO氢燃料电池车的两个并联的190kW氢燃料电池系统、高性能电机及高效率电池组等核心部件,一次充电可以续航约400公里。同时,为了确保足够的行程,还将在驾驶室和箱体之间安装八个大型氢气罐。

 

2018年7月,丰田汽车公司北美公司(简称TMNA)发布了氢燃料电池Class 8大型商用卡车的升级版车型,在充满氢的情况下,常规行驶续航里程可延长至大约480公里。

 

2、国内情况:目前我国燃料电池专用车以物流车为主,并已在北京、上海、佛山、西安等地进行了商业化运营。

 

2018年以来,广东国能联盛新能源汽车有限公司在佛山、云浮、中山等地实行试运营,25辆氢燃料电池厢式物流新车组成一条绿色、环保的配送链,把鲜活农产品等送到佛山、云浮两地。

 

2018年1月,上海陆续投入500辆氢燃料电池物流车进行商业化示范运营,燃料电池系统功率为30kW,携带的3个35MPa储氢瓶,总储氢量达到10kg,一次加氢时间3-5分钟,续航里程可达400公里。这批燃料电池物流车的业务涉及京东、云鸟、申通快递、宜家、盒马鲜生等配送体系。

 

2018年3月,西安新青年与陕西晶元低碳经济服务中心进行合作,共推“西安氢城”计划,双方将在氢燃料电池专用车技术研发、整车制造、制氢厂与加氢站建设、氢能配套、氢车推广、社会公益、项目融资等多个方面携手推进产业化运营落地,并通过联合新能源物流车企、物流运营企业和司机用户的“碳普惠”积分认证体系,共同推进大西安“氢物流”的产业化应用与“碳普惠”平台低碳减排积分体系的社会推广,在2018上线运营400辆燃料电池物流车,并建设2座加氢站。同时,计划到2020年在西安市场投放1000辆氢燃料电池物流车,围绕西安三环周边建设8座加氢站。

 

在环卫专用车领域,2017年12月中国重汽在山东济南发布了针对环卫领域的新能源轻卡,豪沃氢能源卡车。这款氢能源汽车搭载功率35kW质子交换膜燃料电池加40Ah的锂离子电池组,能够满足汽车的运行需要。电机功率120kW,扭矩达到1100N·m。此车在匀速行驶时,动力电池为驱动电机提供能量,燃料电池则为电池充电。当加速行驶时,动力电池和燃料电池组同时为车提供能量,满足动力需求。在刹车减速时,摩擦制动能量可以回收,减少能量损失,制动能量回收率超过10%。

 

2018年2月,陕汽控股在“2035战略”规划发布会现场,展示了使用氢燃料电池作为动力的德龙L3000氢燃料环卫车,是国内首款针对城市环卫市场研发的燃料电池专用车。这款车的续航里程可达300公里,采用氢燃料电池+动力电池的组合。环卫车的工作区域一般都在城市核心区域,使用清洁无污染的氢燃料电池车,对于改善城市空气质量具有很大的环保优势。

 

二、燃料电池专用车技术发展情况

 

1、技术发展特点

 

1)燃料电池产业链情况
经过几十年的积累,燃料电池产业链总体而言,已达到了商业化应用的技术要求。国外燃料电池全产业链经过丰田、本田、现代、奔驰等整车企业的培育,已经形成了比较完整的产业链体系。国内的燃料电池产业链体系基本形成,少量关键材料及核心零部件目前还依赖进口,但随着国内燃料电池产业的快速发展,相信会有更多的资本和企业介入,通过全球资源的技术整合,预期3~5年内在市场驱动下,国产关键材料及核心零部件将逐步取代进口。

 

2)燃料电池关键材料及核心零部件
关键材料及核心零部件方面,燃料电池电堆已实现国产化并完成批量装车应用。上海神力自主研发的石墨双极板燃料电池电堆寿命达到10000h,体积功率密度超过2.0kW/L,综合性能接近国际水平。但是,国内燃料电池产业链还不够完整,关键材料及核心零部件的质量对燃料电池系统的整体性能和寿命影响非常大。尽管膜电极、质子交换膜、催化剂、双极板、空压机、水泵具备国产化能力,但在产品性能上需进一步提高。另外,碳纸、氢气循环泵、增湿器、减压阀等关键材料及核心零部件目前还处于产品研发阶段,需依赖进口,使得燃料电池系统成本难以下降。

 

3)燃料电池专用车
整车方面,国内燃料电池专用车采用电-电混合技术,主要以增程型、能量混合型为主,燃料电池系统功率一般为30~40kW,动力电池容量为20~30kWh,随着燃料电池系统技术的进步,部分企业根据燃料电池专用车的使用场景开始投入大功率燃料电池系统的研发。北京亿华通目前正在联合北汽福田开发35吨和49吨重卡,燃料电池系统功率超过120kW,整车可实现-30℃启动和-40℃存储,达到国际先进水平。

 

2、主要技术突破点

 

1)燃料电池系统功率及密度得到了提升。上海神力开发的石墨双极板燃料电池电堆功率密度大于2.0kW/L,高于国际同类产品。新源动力开发的金属双极板燃料电池电堆功率密度达到3.0kW/L,接近国际同类产品。北京亿华通研制的燃料电池发动机额定功率密度超过300W/kg,已提前实现了我国商用车燃料电池系统2020年的技术目标。

 

2)燃料电池系统寿命接近国际先进水平。巴拉德研制的燃料电池系统平均寿命在10000h以上,个别燃料电池系统寿命甚至超过25000h。北京亿华通采用国产电堆集成的燃料电池系统寿命达到8000h,逐渐接近国际先进水平,随着国产化辅助零部件的产品质量不断提升,国产燃料电池系统寿命将进一步增加。

 

3)电堆冷启动性能还需要提高。燃料电池电堆冷启动方面,国内上海神力、新源动力等企业研制的燃料电池电堆可实现-20℃自启动和-40℃存储,与代表国际先进水平的-30℃自启动还有一定差距,但差距在逐渐缩小。

 

4)燃料电池系统成本降低。用于催化剂的铂载量目前已降低到0.4g/kW,武汉理工新能源开发的膜电极铂载量进一步降低到0.3 g/kW,样品已进入工程化验证阶段,新型非贵金属催化剂也正在研发过程中并尝试替代贵金属催化剂。关键材料及核心零部件逐渐国产化,空压机、水泵等产品质量不断提高,多家企业投入氢气循环泵、增湿器及管阀件的研制,预计2~3年可以实现国产化。

 

3、目前亟需解决的技术难点及解决方案

 

尽管目前我国燃料电池专用车已有小批量商业化示范应用,但在燃料电池系统技术、成本和氢能基础设施配套方面还存在瓶颈,制约了燃料电池专用车的产业发展。

 

1)燃料电池系统冷启动性能和耐久性与国际先进水平还有一定差距。燃料电池技术研发起点高,需要大量政府层面的科研资金投入。科技部门设立关键材料及核心零部件研发项目,给予相应的资金支持,投入基础材料研究,实现产品技术突破,提高系统集成及控制技术应用。

 

2)燃料电池系统成本较高。目前国内膜电极铂载量为0.4g/kW,而国际先进水平达到0.12g/kW,根据美国DOE的最终目标是将铂载量控制在0.05g/kW左右。开发低载Pt量、高活性和高稳定性的低Pt催化剂是研究重点,通过优化和改进Pt基催化剂结构、开发新型碳载体来降低Pt负载量,提高Pt利用率。质子交换膜、碳纸、氢气循环泵、减压阀等关键材料和核心零部件等还主要需要依赖进口,成本较高。国家及地方政府部门应该设立技术攻关项目及资金支持,同时相关研究机构及企业也加大研发力度,实现关键材料及核心零部件国产化。

 

3)氢能基础设施配套不足。在加氢站建设方面存在管理部门不明确、审批流程不清晰、审批周期长、加氢站建设标准
不完善等问题。同时,由于运营车辆少、国家建站补贴取消,使加氢站投资回报周期长,极大的影响了加氢站的建设积极性和建设进度。政府部门需要在加氢站建设项目审批、建设及运营补贴政策等方面予以支持,完善加氢站建设标准,引导加氢站超前建设布局,推广油-氢合建站建设,保障氢燃料电池汽车的规模化推广。建设成本高也是限制加氢站建设的主要原因之一,其中设备费用高达80%。氢气压缩机、高压储氢罐、氢气加注机是加氢站系统的三大核心装备,目前仅氢气加注机进入产品测试阶段,其余还处于研制处于起步阶段。建议以政府为主导,联合研发机构及企业,集中力量实现技术突破,同时参与国际合作,提高产品技术、性能及品质,从而降低成本。

 

4、国内外技术差异

我国燃料电池系统集成技术已达到国际水平,燃料电池电堆的功率密度、寿命和低温冷启动性能等方面都得到提高。国内外燃料电池发动机的主要性能参数对比如表所示,在系统额定功率、金属板电堆的体积功率密度以及石墨板电堆寿命方面略低于国外水平,其他性能与国外水平相当。此外,在关键材料及核心零部件方面,质子交换膜、碳布、氢气循环泵、增湿器以及部分管阀件还依赖进口。

 

表 国内外燃料电池发动机主要性能参数对比

 

 

 

三、未来几年燃料电池专用车技术发展趋势

 

未来几年燃料电池专用车将继续采用电-电混合技术,但燃料电池系统额定功率将逐渐增大,实现全功率型动力系统转变。燃料电池系统耐久性提高,达到与整车同寿命。目前依赖进口的关键材料及核心零部件将逐渐实现国产化,大幅度降低燃料电池系统成本。燃料电池专用车将采用70MPa高压储氢系统,并进一步开发重卡及牵引车等车载液氢技术。

 

四、未来市场需求分析预测

 

燃料电池专用车适用于中重型、远距离等应用场景,主要应用领域有环卫专用车、工程专用车、运输专用车及其他特种专用车。2016~2018年我国累计销售3428辆燃料电池汽车,其中燃料电池物流车超过1100辆,占比达32%。未来,燃料电池专用车在中重型物流车领域将继续得到快速发展,同时,为缓解城市大气污染,环卫专用车和工程专用车领域也将得到广泛应用。

 

五、建议

 

加快质子交换膜、碳纸、氢气循环泵、减压阀等关键材料及核心零部件的国产化,提高膜电极、催化剂、双极板、空压机、水泵等已实现国产化产品的质量和性能,有利于大幅降低燃料电池成本,推动燃料电池专用车的商业化应用。

 

随着技术的发展,氢气在制、储、运环节能够实现安全可控,但目前对氢的认识依然停留在危化品阶段。需要将氢气由危化品转为能源管理,普及氢安全知识、氢使用规范,及时调整氢气制、储、运、相关标准,降低成本,适应市场需求,真正发挥氢作为清洁能源的作用。另外,目前IV型瓶技术、液氢技术已经成熟,但缺乏相应规范、标准,导致我国依然采用普通长管拖车运输气态氢气,造成运输成本高。

 

国家主导明确加氢站建设主管单位及审批流程,同时对加氢站建设和运营给予补贴支持,加速氢气制、储、运及加氢站建设的产业布局,推动燃料电池专用车大规模商业化应用。

 

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