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行业综述-燃料电池客车

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行业综述-燃料电池客车

作者:
徐梁飞 李建秋
来源:
节能与新能源汽车年鉴
日期:
2020/09/14 10:49
浏览量

一、2018年燃料电池客车产业总体情况

 

2018年国内外氢能与燃料电池行业发生了巨大的变化,多个国家与跨国企业相继决定加大对于燃料电池的投入,加速燃料电池汽车技术发展。燃料电池客车作为当前最重要的应用载体,其示范运营与技术发展收到了各方的广泛关注。

 

随着跨国公司的持续研发投入与政府的长期政策支持,燃料电池客车技术发展越来越成熟,表1-1是美国可再生能源实验室所公布的2018年美国燃料电池客车的总体技术现状。从表中可以看到,现阶段燃料电池客车技术在耐久性、可靠性、经济性等方面都取得了巨大的进步,大量指标已经接近美国能源部2020年目标,目前差距较大的部分仍然在制造成本方面,相比2020年的最终应用目标60万美金,现阶段的单车制造成本仍然在127万美金以上,降成本压力仍然很大。

 

表1-1 美国2018年燃料电池客车技术现状

 

 

需要特别注意的是,经过长期的示范验证,国际跨国公司与研究机构已经基本解决客车用燃料电池的耐久性问题,取得了具有实用价值的实车验证结果。图1-1是美国可再生能源实验室所公布的2018年美国燃料电池客车运营情况。截至2018年7月,美国境内所有27辆燃料电池的客车的平均寿命已经达到13260h。其中所属AC Transit的燃料电池客车示范运营时间最长,所用燃料电池电堆主要由UTC Power提供。报告中提到,AC Transit的5辆燃料电池客车累计示范运营时间已经超过25000h,提前满足美国能源部2020年的性能要求。

 

目前示范运营中工作时间最长的燃料电池客车在不更换燃料电池电堆的情况下已经工作了29000h,动力系统使用寿命已经与传统内燃机相当,具备完全商业化的潜能。对比2017年巴拉德宣布在伦敦示范的燃料电池客车运行时间达到2.5万小时,欧美已经在燃料电池耐久性方面取得了据有说服力的实证结果。

 

图1-1 美国燃料电池客车的示范记录(截止2018年7月)

 

作为世界上最大的燃料电池汽车市场,中国2018年的燃料电池客车发展速度十分迅速,总体势头超出市场预期。

 

2018年全年中国燃料电池汽车产量超过1600台,其中燃料电池客车销量超过420台,占比全国销量50%以上,同比增长260%。在各地政府示范项目的支持下,2018年燃料电池客车采购合同与示范项目大量落地,未来呈现加速增长的趋势。

2018年之前,中国燃料电池客车示范运营主要集中在北京、上海、广东等有较好基础的省份。随着氢能与燃料电池行业的快速发展,2018年燃料电池客车在全国呈现蔓延趋势。

4月份,氢燃料电池车商业化营运车队在辽宁省抚顺市新宾满族自治县上线。
5月份,中车电动全新一代具备智能辅助驾驶功能的12米氢燃料电池客车交付山东莱芜与浙江嘉兴进行路试。客车使用轮边电机驱动,动力强劲且无机械差速装置。
6月份,东方电气与蜀都客车联合制造的氢燃料电池客车投入四川成都郫都区运行。
6月份,五洲龙公司所开发的燃料电池客车投入大同示范运营。
7月份,全球首批最大氢燃料电池公交车订单正式交付张家口,福田欧辉49辆氢燃料电池城市客车正式投入运营,服务冬奥会期间公众绿色出行。
8月份,宇通燃料电池客车正式投入郑州使用,这是河南首次使用商业化燃料电池公交车。
9月份,武汉开沃新能源有限公司开发的氢燃料电池动力公交车在武汉东湖新技术开发区进行试运行。
9月份,申沃向上海嘉定公交交付6辆燃料电池客车,进行示范运营。
10月份,宇通向张家口交付25辆燃料电池公交,投入示范运营。
10月份,北京开展首批12米燃料电池客车示范运营。
11月份,佛山飞驰与马来西亚政府签订3台燃料电池客车订单。
12月份,中通客车40辆燃料电池公交交付山西大同。
12月份,佛山飞驰70辆燃料电池公交车投入佛山运营。

 

经过2017年的酝酿,2018年燃料电池客车在国内呈现全面开花的局面。随着各地氢能基础设施建设的发展与燃料电池客车示范不断深入,未来几年中国燃料电池将处于加速发展阶段。

 

二、2018年燃料电池客车技术发展情况

 

1、2018年燃料电池客车技术发展特点
受限于燃料电池电堆技术发展水平,2018年国内燃料电池客车普遍采用能量型混合动力系统,燃料电池以准稳态对外输出功率,以尽量减少电堆启停、大负载、怠速等恶劣工况。类比内燃机混合动力技术,该构型下燃料电池系统类似于增程器,为系统提供总体功率需求的平均值,系统动态功率通过动力电池来满足。此构型可以显著提高燃料电池耐久性,改善系统经济性。

 

需要注意的是,该构型下燃料电池客车的工况适应性较差,当客车从城市工况转变为城郊工况,或开启空调时,整车平均功率需求将会显著提高,能量型系统的燃料电池一般按照常规工况进行匹配,总体功率需求提高之后可能出现匹配不当的问题,导致系统动力电池的荷电状态(State of Charge, SoC)不断下降,无法正常进行营运。

 

2018年主流燃料电池企业已经基本掌握30kW、40kW燃料电池系统的设计开发技术,并开始推进关键零部件的国产化替代,相关产品广泛应用于2018年生产的燃料电池客车。国内部分企业已经完成60kW与100kW燃料电池系统设计开发技术,为下一步全功率燃料电池混合动力系统的开发奠定了基础。

 

2、2018年燃料电池客车实现的主要技术突破点

 

2018年国内燃料电池客车在整车层面继续并跑、在燃料电池发动机层面继续跟跑。部分车型实现如下技术突破点。

 

1)整车动力性、经济性水平稳步提升。随着实车示范数量与地点的大幅提高,全国多个企业技术团队都实现了燃料电池客车开发的技术迭代,整体动力性与经济性已经达到国际一流水平。以张家口示范运营的燃料电池客车为例,高海拔环境下单车每天运行250公里,最长里程已经超过6万公里,实际道路平均百公里氢耗可达到6.7kg/100km。

 

2)整车可靠性与环境适应性不断改善。通过全国多个城市、多种应用场景的燃料电池客车设计开发,客车可靠性与适应性得到了充分验证。现阶段多个企业技术团队已经实现-40℃存储与-30℃冷启动,部分车型具备废热利用的综合热管理功能,产品适应性显著提高。

 

3)燃料电池耐久性逐步提升。通过材料、电堆设计、系统匹配与控制策略优化等措施的改进,燃料电池汽车的耐久性不断提高,国内产品的预测寿命普遍达到10000小时以上。此外,上汽开发的燃料电池系统首次实现了5000小时的耐久性验证,是国内公开的最长时间的耐久性测试结果。

 

3、目前亟需解决的技术难点及解决方案

 

与纯电动客车相比,国内燃料电池客车重点突出高适应性、长续航、快速加氢等优势,与纯电形成差异化竞争。但在实际运营中,燃料电池客车的实际表现与用户期待相比还要进一步提高,需要在续航里程、耐久性、可靠性、经济性与成本等方面进一步突破,亟需解决的技术难点和方案如下:

 

1)续航里程
现有的燃料电池客车主要采用35MPa储氢技术,真实续航里程普遍在400km以下,部分车型不足300km,行业期待的500km以上续航里程仍有较大的差距。为了进一步提高燃料电池客车的续航里程,需要进一步发展燃料电池储氢技术,基于我国基础工业情况,深入探索70MPa、高压深冷、液氢等大容量车载储氢技术,进一步提高车载储能能量密度。此外,进一步提高燃料电池经济性,也有助于提高总续航里程。

 

2)耐久性
现阶段国内燃料电池客车示范运营还十分不充分,最长单车累计里程不足8万公里,实车燃料电池累计寿命不足3000小时,与国际一流企业还存在较大差距。燃料电池耐久性是一个多层次、多维度耦合问题,为了进一步提高燃料电池耐久性,需要从材料、电堆设计、系统控制与示范验证等多个方面进行突破。尤其需要注意实车示范数据的验证与经验积累,基于当前真实耐久性问题进行产品开发迭代。

 

3)可靠性
随着燃料电池客车需求快速增加,企业产能严重不足,量产产线、核心零部件缺乏相关标准。从手工组装过渡到批量化生产,燃料电池客车产品可靠性面临较大挑战。为了提高燃料电池客车的可靠性,下一步需要引入传统客车行业制造生产标准,加快关键上下游企业的联动设计,通过快速的反复迭代提高零部件与整体可靠性。

 

4)经济性
受益于动力系统的能量型构型设计,我国国产燃料电池客车的百公里氢耗已经达到7kg水平,在国际上已经处于较优水平,但对应中国的氢能发展目标,还需要进一步降低百公里成本,才能具备和纯电动、内燃机的竞争力。未来需要进一步提高燃料电池的材料活性与发动机设计匹配能力,优化整车空调的综合能量管理,提升整车总体效率。

 

5)成本
现阶段国产燃料电池客车的制造成本年相比国外同类型客车具有较大优势,单车售价已经普遍达到美国能源部的最终要求,低于60万美金。但是与传统内燃机客车、纯电动客车相比,燃料电池客车仍然有较大压力。为了进一步降低成本,需要加快膜电极、双极板、空压机、循环泵、氢瓶等关键零部件的国产化替代与降成本,进一步引导相关传统企业参与其中,通过量产化降低成本。

 

4、2018年国内外技术差异

国内外燃料电池客车主要技术差异在于动力系统构型设计,国外燃料电池客车主要采用全功率型混合动力构型,燃料电池功率较大;国内由于大功率燃料电池技术还未全面突破,一般采用增程式混合动力构型。此外,由于国内燃料电池行业呈现逐年跨越式发展趋势,部分示范车型会尝试使用一些前沿技术,例如轮边电机、高压深冷储氢等。国外相关技术迭代较慢。

 

三、未来几年燃料电池客车技术发展趋势

 

基于2018年上市车型来看,未来燃料电池客车所匹配的燃料电池系统功率将会逐步提高,从增程型混合动力系统向全功率混合动力系统转变,适应高速、高续航里程和高环境适应性的需求。

 

另一方面,车载储氢系统将会从35MPa向更高能量密度的技术路线切换,与纯电动客车形成更加明显的技术指标差异性。

 

四、未来市场需求分析预测

 

现阶段燃料电池客车市场与政策的关系十分紧密。与纯电动汽车相似,燃料电池客车也存在年底抢装现象,2018年12月燃料电池客车的销售量占比全年总量的78%,政策仍然是短期决定下一阶段燃料电池客车市场最核心的因素之一。

 

其次,地方市场发展与转型的决心也是未来燃料电池市场发展的另一个重要因素。受制于前期发展规划与基础建设的影响,2018年广东省深圳、佛山、广州、云浮四地区销售的燃料电池汽车总量占到全国销量的60%。此外,北京、张家口地区也是燃料电池汽车主要销售区域,两地分别销售燃料电池汽车90、74辆。随着山东、四川、大同、嘉兴、武汉等省份与城市的氢能与燃料电池发展规划落地,未来市场需求会呈现井喷式发展。

 

从使用性能来看,北方地区纯电动燃料电池客车冬季续航问题越来越严重,在北方、高海拔变化地区,燃料电池客车替换是未来的主要趋势。

 

五、其他重要的方面

 

1、制氢、运氢、加氢基础设施方面的产业发展与政策推动,对于下一阶段更大规模燃料电池客车示范运营具有重要影响。

2、加快布局关键零部件的国产化,随着燃料电池客车市场不断打开,通过快速迭代降成本与提高产品可靠性是下一阶段的关键任务。

3、进一步研究大功率燃料电池系统的设计、集成、控制与评价方法。


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