氫燃料電池重卡技術發展的分析與研究

張婷婷 許彪 劉源泉 張杰

摘 要：氫燃料電池重卡是未來重型卡車發展的一個方向 其研究具有重要意義。文章闡述了氫燃料電池重卡的發展狀況、特點 分析了氫燃料電池重卡的核心技術 并從氫燃料電池車基本構成與工作原理、燃料電池堆工作原理、動力蓄電池技術、儲氫技術等幾方面來做簡要概述。

關鍵詞：氫燃料電池重卡;燃料電池堆;動力蓄電池;儲氫技術

中圖分類號：U469.7? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-04-03

Abstract： Hydrogen fuel cell heavy truck is a development direction of heavy truck in the future， and its research is of great significance. this paper describes the development and characteristics of hydrogen fuel cell heavy truck， and analysis the core technology of hydrogen fuel cell heavy truck. The basic structure and working principle of hydrogen fuel cell vehicle， working principle of fuel cell stack， power battery technology storage technology and hydrogenstorage technology are briefly introduced in this paper.

Keywords： Hydrogen fuel cell heavy truck; Fuel cell stack; Power battery; Hydrogenstorage technology

CLC NO.： U469.7? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-04-03

引言

近年來隨著日用工業品、煤炭、快遞、危化品、渣土、建材的運輸加速了商用汽車的發展 而汽車尾氣中的固體懸浮微粒、碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物等給人類的生活環境帶來嚴重的污染 因而發展新能源汽車成為必然趨勢。2018年國務院印發了《打贏藍天保衛戰三年行動計劃》 第十五條指出要推廣使用新能源車 到2020年新能源汽車產銷量達到200萬輛左右。可見汽車界的節能、環保車型研發將是又一次變革。燃料電池卡車是新能源車的一個分類 被認為是解決全球能源和環境問題的理想方案之一[1] 在轎車和客車上技術已經很成熟 但在重型商用車上國內外現今都無批量出售 處于技術研發向商業化推廣的過渡階段 遇到的瓶頸問題還未解決 有待進一步研究。

1 國內外燃料電池重卡發展狀況

1.1 國外燃料電池重卡發展

2016年 美國尼古拉汽車公司發布一款名為Nikola One的概念型電動卡車 該車安裝了氫燃料電池 只有水蒸氣排出 可以實現零排放。據透露 未來將有多種配置 視不同行程搭載不同容量的儲氫罐和蓄電池。頂級版的氫燃料電池牽引車 將配備320kW.h的鋰離子電池和功率736kW的電機 一次加注燃料就能行駛2000km[2]。

2017年 豐田北美公司與US Hybrid公司聯手 研制了肯沃斯T660型氫燃料電池牽引車。該車搭載了740組氫燃料電池 產生的電能蓄積在兩個總容量達12kWh鋰離子電池中 并向總功率為500kW的2臺電機提供電能[2-3]。

1.2 國內燃料電池重卡發展

為了大力發展氫能 國務院和國家發改委通過鼓勵科研創新、財政補貼、示范運行等方式支持氫能發展。在《“十三五”國家戰略性新興產業發展規劃》中明確提到 實現氫燃料電池汽車批量生產和規模示范應用。

截止目前 從工信部《新能源汽車推薦目錄》的燃料電池重卡有5款 分別是中國一汽集團、東風汽車集團、江鈴重型汽車、成都大運汽車、南通皋開汽車;另外國內還有一部分企業已成功研發氫燃料重卡 比如陜汽、中國重汽、飛馳汽車、徐工等企業。其相應的產品均采用氫燃料和動力電池的組合。

2 氫燃料電池重卡特點

2.1 氫燃料電池重卡優點

2.1.1 無污染、零排放

燃料電池是通過電化學反應而不是燃燒獲取能量 反應產物只有水 無有害氧化物產生。

2.1.2 噪音低、振動小

傳統重卡通過發動機內部燃料燃燒 把產生的熱能轉變為機械能 該過程會產生振動以及很大噪音。而氫燃料電池重卡是在電堆內部發生電化學反應 直接輸出電能 驅動電機 過程運行平穩 不發生振動 噪音低 只有55dB。

2.1.3 發電效率高

燃料電池發電效率高達50%[4]以上 這是由于燃料電池發生反應后直接產生電能 不需要經過熱能或者機械能轉換 減少了能量損失。

2.1.4 加注速率快

目前氫燃料采用高壓加注 且行業上已克服加注溫升問題 保證了氫燃料電池重卡加注速率。

2.2 氫燃料電池技術不足

2.2.1 燃料電池系統成本高

對于氫燃料電池重卡來說 燃料電池系統成本占比相對較高 至少比傳統發動機高4～5倍 極大限制了商業化發展 而電堆成本在整個燃料電池系統中占比高達60%[5] 主要是由于反應所用的鉑催化劑昂貴 若隨著技術發展 減少鉑的含量或者采用其他催化劑代替鉑 將極大地降低整車成本。

2.2.2 續航里程較短

氫燃料電池重卡目前采用的是35MPa供氫系統 因整車布置原因 供氫系統均布置于駕駛室后方 續駛里程僅達300～500km 無法滿足長續駛里程需求 后續可通過液氫或固態儲氫方式進行改進。

3 氫燃料電池車基本構成與工作原理

燃料電池按照動力源的配置可分為純燃料電池驅動、燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動、燃料電池與超級電容聯合驅動及燃料電池與輔助電池和超級電容聯合驅動的形式。行業上采用較多的是燃料電池與輔助蓄電池聯合驅動 本文主要對該方式進行詳細介紹。

燃料電池車上沒有傳統的柴油發動機、變速器、油箱等部件 主要由燃料電池堆、動力蓄電池、高壓儲氫罐、DC/DC轉換器、驅動電動機和動力控制單元等組成 其中燃料電池堆為核心組件。電堆中氫與氧反應產生電能[6] 經DC/DC變換器的阻抗匹配與電壓轉換后 與動力蓄電池并聯 共同向驅動電機輸出電能。驅動電機將電能轉化為機械能對車輛進行驅動 其工作原理示意圖如圖1所示。汽車行駛時主要采用燃料電池系統提供電力 動力蓄電池主要起調峰、增容、回收能量的作用。當汽車處于加速、上坡狀態時 動力蓄電池作為輔助電源提供電力;當汽車處于下坡、減速狀態時 動力蓄電池回收燃料電池的富余電能。

4 燃料電池堆工作原理

電堆主要由雙極板和膜電極兩部分組成 而膜電極是由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層組成。當氫氣通過雙極板后達到陽極 在催化劑作用下 氫分子分解成氫質子和電子。質子通過交換膜 繼續前進到達陰極 而陰極的氧分子通過外部電路得到電子生成了氧離子 在催化劑作用下 氫質子和氧離子發生化學反應生成水 同時釋放一定熱量 電堆工作原理如圖2所示。

陽極：

陰極：

總反應式：

5 動力蓄電池技術

目前汽車上使用的動力電池主要有鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池、超級電容器等。其中鋰離子和超級電容器是最有發展潛力的動力電池技術路線。鋰離子電池適應溫度能力差 價格貴 不適宜管理 但質量能量密度較大 多用于乘用車或者混合動力車上。而超級電容器能量密度比較低 不適宜于長途行駛 但功率密度大、充電時間短 多應用于重型牽引車上 如運輸線路固定的危險品專用車、路況良好短距離的港口牽引車[7]。

6 儲氫技術

燃料電池儲氫系統的功能是為燃料電堆提供穩定的氫氣 進而提供源源不斷的動力。按照儲氫方式的不同 可分為高壓氣態儲氫、低溫液態儲氫、金屬氫化物儲氫及有機液體儲氫等。衡量儲氫技術的指標為質量儲氫密度和體積儲氫密度。

目前行業上主要采用高壓氣態儲氫方式將氣態氫儲存在氣瓶中 最大質量儲氫密度為5.7% 體積儲氫密度為40.4g/L。該技術以35MPa儲氫技術為主 技術較為成熟 已廣泛應用

于氫燃料電池汽車 而70MPa儲氫技術處于研發階段。

7 結語

氫燃料電池重卡的優點已經得到行業認可 縱觀整個氫能產業鏈 雖然我國氫燃料電池重卡技術起步晚 但國內已初步形成一定的產業鏈 其相關氫能零部件正在逐漸實現國產化 同時各種儲氫技術正在不斷發展 相信不久的將來 “零排放”氫燃料電池重卡必將在新能源汽車領域占有一席之地。

參考文獻

[1] 劉宗巍，史天澤，郝瀚，等.中國燃料電池汽車發展問題研究[J].汽車技術，2018，（1）.

[2] 張少華.氫燃料電池卡車加速大型車電動化進程[J].重型汽車， 2018，（1）.

[3] 陳然.卡車邁向氫燃料時代？[J].商用汽車，2018，（1）.

[4] 鮑鵬龍，章道彪，許思傳，等.燃料電池車用空氣壓縮機發展現狀及趨勢[J].電源技術，2016，40（8）.

[5] 王佳.我國燃料電池汽車產業發展現狀、問題與建議[J].汽車工業研究，2018，（9）.

[6] 沈現青.氫燃料電池車技術解析[J].汽車維護與修理，2015，（2）.

[7] 趙雷雷，王斌.純電動卡車技術發展的分析與研究[J].汽車實用技術，2013，（2）.