氫燃料電池汽車在公交的推廣應(yīng)用

北京公共交通控股（集團）有限公司 趙汝亮 劉寶來

氫燃料電池汽車作為新能源汽車的重要組成，具有清潔高效、續(xù)駛里程長、加氫時間短等特點，隨著技術(shù)的進步和產(chǎn)業(yè)鏈的完善，其推廣應(yīng)用步伐將逐漸加快、規(guī)模將逐步擴大。氫燃料電池汽車在公交的推廣，對于發(fā)展氫能交通體系、優(yōu)化公交能源結(jié)構(gòu)和緩解城市交通污染有著重要的意義。

1 燃料電池與燃料電池技術(shù)

燃料電池是繼熱能發(fā)電、水力發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)，其利用電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能（即吉布斯自由能）直接轉(zhuǎn)換成電能，轉(zhuǎn)換效率相對較高，有害氣體（氮氧化物、硫氧化物等）的排放量極少，且無噪聲污染。作為一種清潔型新能源，燃料電池在交通運輸、固定式電站、流動性電源等方面有著廣闊的應(yīng)用前景。

按電解質(zhì)的不同，燃料電池主要分堿性燃料電池（AFC）、磷酸燃料電池（PAFC）、熔融碳酸鹽燃料電池（MCFC）、固體氧化物燃料電池（SOFC）和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）等，其中，PEMFC工作溫度為50℃～90℃，用氫氣作為燃料，是氫燃料電池汽車理想的動力源。

質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理如圖1所示。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池工作原理示意圖

在氫電極（負極）或陽極上，發(fā)生如下反應(yīng)：

2H2→4H++ 4e-

在氧電極（正極）或陰極上，發(fā)生如下反應(yīng)：

O2+ 4H++ 4e-→2H2O

在外電路上，電流流向相反，從陰極端流向陽極端。

總反應(yīng)式為：2H2+ O2→2H2O

2 氫燃料電池汽車動力系統(tǒng)

氫燃料電池汽車動力配置方案有純?nèi)剂想姵亍⑷剂想姵丶有铍姵亍⑷剂想姵丶映夒娙荨⑷剂想姵丶有铍姵丶映夒娙荨⑷剂想姵丶语w輪以及插電式等六類。

燃料電池電-電混合動力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動力源、DC/DC變換器等部件。燃料電池系統(tǒng)作為車輛常規(guī)運行時的主要動力源，為車輛的常規(guī)運行提供所需能量；輔助動力源主要為蓄電池，提供車輛在啟動、加速、爬坡等特殊工況下所需功率。如此，既能保證車輛在不同工況下所需的能量，同時能夠減小對燃料電池的沖擊，提高燃料電池的壽命。

一般根據(jù)燃料電池系統(tǒng)是否與電機控制器直接相連分為直接燃料電池混合動力系統(tǒng)和間接燃料電池混合動力系統(tǒng)。

（1）直接燃料電池混合動力系統(tǒng)（圖2）。燃料電池系統(tǒng)直接與電機控制器相連，同時，使用蓄電池作為輔助動力裝置，蓄電池組和動力系統(tǒng)的直流母線之間使用雙向DC/DC變換器。

（2）間接燃料電池混合動力系統(tǒng)（圖3）。在燃料電池系統(tǒng)前面使用單向DC/DC變換器來對燃料電池系統(tǒng)和電機驅(qū)動系統(tǒng)進行電壓匹配，并對燃料電池系統(tǒng)的輸出功率進行控制，輔助動力源裝置選用蓄電池組，并直接與直流母線相連接。

圖2 直接燃料電池混合動力系統(tǒng)

圖3 間接燃料電池混合動力系統(tǒng)

燃料電池直接驅(qū)動構(gòu)型中，為滿足車輛良好的動力性，燃料電池動力系統(tǒng)（FCE）必須具有良好的動態(tài)特性和V-I特性，同時，為避免FCE瞬時大功率放電導(dǎo)致的母線電壓過低而損壞燃料電池電堆，F(xiàn)CE的額定功率取值也相對偏高。

燃料電池間接驅(qū)動構(gòu)型中，由于DC/DC變換器的作用，實現(xiàn)了FCE與儲能系統(tǒng)（ESS）的功率耦合和電壓隔離，有利于對燃料電池動力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，在目前燃料電池的技術(shù)水平下，是一種經(jīng)濟實用的混合動力系統(tǒng)構(gòu)型。

3 氫燃料電池公交車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

氫燃料電池具有電壓電流輸出特性及動態(tài)響應(yīng)滯后的特點，而城市公交大客車運行存在驅(qū)動與制動功率波動頻率高、幅度大以及長續(xù)駛里程的總驅(qū)動與制動能量較大等工況，因此氫燃料電池公交車動力系統(tǒng)一般采用燃料電池加功率型動力電池的電-電混合動力系統(tǒng)方案。

圖4 國內(nèi)氫燃料電池客車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

氫燃料電池公交車以燃料電池動力系統(tǒng)為動力源，其駕駛習(xí)慣與燃油車類似，但構(gòu)造與傳統(tǒng)燃油車和電動汽車存在一定的差異。圖4是國內(nèi)燃料電池公交客車動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，氫瓶置于車頂，燃料電池電堆及電機等均置于車后。通常，國內(nèi)12m燃料電池公交車采用不低于60kW的燃料電池系統(tǒng)和功率型動力電池相結(jié)合的電-電混合動力系統(tǒng)，配有8～10個35MPa儲氫瓶，續(xù)駛里程可超過300km。

4 氫燃料電池公交車的推廣應(yīng)用

氫燃料電池汽車只排放水蒸汽，公交車的加氫時間一般不超過10min，續(xù)航里程可達到300km以上。

4.1 氫源供應(yīng)

氫源是保障氫燃料電池公交車正常運營的關(guān)鍵，相關(guān)產(chǎn)業(yè)包括制、儲、運、加等方面。

4.1.1 制氫

目前常用的制氫方式包括化石燃料制氫、含氫尾氣/副產(chǎn)氫氣回收利用、高溫分解制氫和電解水制氫。化石燃料制氫包括石油、天然氣蒸汽重整制氫和水煤氣法制氫等。工業(yè)副產(chǎn)氫制氫是指利用含氫工業(yè)尾氣為原料制氫，工業(yè)尾氣主要包括合成氨產(chǎn)生的尾氣、煉油廠副產(chǎn)尾氣、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氣、煤化工焦爐煤氣等。高溫分解制氫分甲醇裂解制氫和氨分解制氫。水電解制氫通過提供電能使水分解制得氫氣，該過程的效率一般在75%～85%左右，其工藝過程簡單無污染，但因電耗大而成本較高。根據(jù)統(tǒng)計，我國現(xiàn)有氫氣主要來自化石燃料制氫，其中煤炭制氫占20 %，天然氣制氫占46 %，石油制氫占30 %，電解制氫占3 %。從低碳環(huán)保角度看，以新能源為基礎(chǔ)的電解水制氫是未來發(fā)展目標。

4.1.2 儲運

儲運技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運、固體儲運和有機液態(tài)儲運等，表1列出了各種儲氫技術(shù)優(yōu)缺點。

表1 不同儲運方法的質(zhì)量儲氫密度和優(yōu)缺點

4.1.3 加氫

目前主要應(yīng)用技術(shù)成熟的高壓氣態(tài)儲氫方式，氫氣加注是通過將不同來源的氫氣經(jīng)壓縮機增壓，然后儲存在加氫站內(nèi)的高壓儲罐中，再通過氫氣加氣機為氫燃料電池汽車加注氫氣，其加注流程如圖5所示。加氫站根據(jù)是否現(xiàn)場制氫，分為外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站兩種。

在現(xiàn)有政策法規(guī)體系下，氫屬于危化品，國家和地方的管控要求非常嚴格，相關(guān)加氫站的審批困難，制約了各地氫能與燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化推廣。由于燃料電池公交車的續(xù)駛里程長且穩(wěn)定，加氫站可以考慮在審批難度相對較低的遠郊地區(qū)布局，較短的加氫時間和較長的續(xù)駛里程，完全可以實現(xiàn)燃料電池公交車“遠郊加氫、市-郊中長途運行”的方案。另一方面，國內(nèi)已出臺相關(guān)標準支持加氫加油加氣混合站的建設(shè)，傳統(tǒng)能源巨頭（如中石油、中石化和國家能源集團等）有著豐富的氫能資源和傳統(tǒng)加油站網(wǎng)絡(luò)體系，對于氫能的規(guī)劃非常積極，正在開展加氫站布局和程序?qū)徟１?是我國現(xiàn)有加氫站建設(shè)情況（截至2018年7月），其中，整體運營15座（固定站8座，撬裝站7座），在建的有26座。

圖5 加氫站工作流程

4.1.4 氫能經(jīng)濟性

氫的成本主要包括制氫、輸運和加氫三個環(huán)節(jié)。

以1000Nm3/h的制氫規(guī)模為計算基礎(chǔ)，天然氣重整制氫成本0.8～1.5元/Nm3，甲醇水蒸氣重整制氫成本1.2～1.5元/Nm3，工業(yè)副產(chǎn)氫提純成本0.9元/Nm3，電解水制氫成本3.5元/Nm3。從近、中期來看，天然氣重整和工業(yè)副產(chǎn)氫提純的成本優(yōu)勢明顯，是制氫技術(shù)路線的選擇重點；從長遠來看，低能耗、高效率及低污染是制氫技術(shù)追求的目標，先進的制氫技術(shù)、可再生能源制氫技術(shù)，是未來氫能發(fā)展的必由之路。

輸運環(huán)節(jié)目前以20MPa的長管拖車為主，一般認為輸運半徑宜控制在200km以內(nèi)，否則將造成氫成本大幅增高。

加氫環(huán)節(jié)需視加氫站的建設(shè)和運營而定，目前加氫站核心設(shè)備有壓縮機、儲氫罐和加氣機等，多為國外進口，如果能實現(xiàn)核心設(shè)備國產(chǎn)化，加氫站的成本將大幅降低，未來氫氣價格還有下降的空間。

4.2 氫燃料電池公交車推廣應(yīng)用情況

我國的氫燃料電池汽車示范始于2003年全球環(huán)境基金（GEF）/聯(lián)合國開發(fā)計劃署（UNDP）/國家科技部（MOST）聯(lián)合支持的“中國燃料電池公共汽車商業(yè)化示范”一期項目，3輛進口氫燃料電池公交車于2006年6月到2007年10月在北京公交801線路上正式運營。2008年8月到2009年7月，3輛國產(chǎn)氫燃料電池公交車在北京384路示范運行。2016年，佛山投入12輛燃料電池客車用于公交運營。2017年3月到6月，在北京市科委的支持下，5輛氫燃料電池公交車在北京384路線示范運營120余天。2018年，如皋有3輛燃料電池公交車開始運營，開啟我國縣級城市氫能公交運營先河。張家口公交2018年配備了74輛燃料電池公交車，在23、33等多條重要路線運營，后續(xù)還將分批陸續(xù)購置燃料電池公交車，逐步構(gòu)建氫能交通體系，助力該地區(qū)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展和2022“綠色冬奧”。

表2 我國加氫站建設(shè)情況（截至2018年7月）

5 氫燃料電池公交車推廣應(yīng)注意的問題

鑒于氫燃料電池公交車特有的工況特點，在推廣應(yīng)用中需要注意的問題主要是技術(shù)適用性、運維、政策法規(guī)及標準、成本和宣貫等方面。

（1）技術(shù)適用性：溫度、濕度、海拔、空氣質(zhì)量等對燃料電池車輛的運行均有影響，我國各地氣候、環(huán)境、工況復(fù)雜性差異較大，燃料電池公交車的技術(shù)適用性有待在推廣應(yīng)用中進一步考量和驗證，尤其是低溫啟動性能和耐久性等。

（2）運維：具體包括氫基礎(chǔ)設(shè)施是否完備、氫源供應(yīng)是否充足穩(wěn)定、配件供應(yīng)是否及時、公交運維保障及應(yīng)急方案的改進完善等。

（3）政策法規(guī)及標準：目前政策對燃料電池汽車的支持力度很大，但囿于現(xiàn)有部分法規(guī)或標準的限制，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對滯后，尤其是加氫站的建設(shè)審批較為緩慢，后續(xù)還需要加強這方面的工作，使政策能真正推動氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，標準能有效規(guī)范行業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)。

（4）成本：目前燃料電池汽車整車及運營成本均相對較高，主要原因是技術(shù)還有待繼續(xù)完善，產(chǎn)業(yè)未真正形成規(guī)模化效應(yīng)。隨著燃料電池技術(shù)不斷進步和燃料電池汽車規(guī)模化推廣應(yīng)用，相關(guān)零部件規(guī)模化、國產(chǎn)化，燃料電池汽車的購置和運營成本將會大幅下降，又可反推燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進程。

（5）安全保障和宣貫：安全性問題在燃料電池公交車推廣中關(guān)注度較高。燃料電池汽車的氫安全性主要指燃料電池汽車運行過程中車載氫系統(tǒng)的安全，包括高壓供氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的安全性等。目前，為了保證燃料電池車輛的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄漏監(jiān)測、靜電防護、防爆、阻燃等方面進行預(yù)防和控制。另一方面，需要對駕駛員開展安全駕駛和應(yīng)急處理培訓(xùn)，對社會公眾開展氫能安全普及宣貫。