寒區環境燃料電池公交車的示范運營

摘 要：張家口地區開展了全球規模最大的極寒環境燃料電池公交車示范運營，經歷了低溫（接近-25℃）、低濕、高海拔等復雜環境和工況。本文通過抽取樣本信息，如車輛運營里程、加氫量、加氫次數和故障次數等，分析了燃料的經濟性、耐久性和可靠性。分析了寒區環境燃料電池公交車示范運營在產品質量提升、產業鏈完善、運營模式驗證等方面的推動作用，以期進一步為燃料電池汽車示范城市群建設提供借鑒。

關鍵詞：燃料電池公交車；氫能；示范運營

燃料電池汽車具有加氫時間短、續駛里程長、零排放等優點，是新能源汽車的重要技術路線，受到了各國政府和車企的重點關注，其商業化推廣是氫能產業發展的突破口，對于優化能源消費結構、實現雙碳目標有著重要意義。經過多年發展，燃料電池汽車經歷了概念車型、關鍵技術攻關和示范運營等階段，目前我國已進入了燃料電池汽車示范城市群建設期。

自2018年起，張家口作為國內七個城市之一參與了全球環境基金（GEF）/聯合國開發計劃署（UNDP）/科技部（MOST）發起的“促進中國燃料電池汽車商業化發展”三期項目，以城市公交為運營場景，驗證燃料電池汽車在低溫、低濕、高海拔環境下的適應性。2022年，由張家口牽頭的河北省燃料電池汽車示范城市群獲批并開始建設，同年，千輛規模的燃料電池客車被用于冬奧保障服務。上述示范運營為寒區環境下燃料電池汽車運行積累了寶貴的實踐數據。

一、國內外現狀

截至2022年底，全球氫燃料電池汽車保有量約5萬輛，主要分布在中國、韓國、美國、日本和歐洲等，其中，中國保有量超過1.2萬輛。目前，歐美日韓以乘用車為主，中國幾乎全部為商用車。本文主要介紹燃料電池商用車運營情況。

自20世紀末開始，歐美日陸續投入了多個燃料電池大巴示范項目，主要目的是驗證并改進燃料電池在公共服務領域應用的可用性和穩定性，包括：日本“氫能與燃料電池實證規劃”（JHFC）（2002年～2010年）、加拿大“氫高速”項目（2006年～2014年）、歐洲“城市清潔氫能”（CHIC）項目（2010年～2016年）及美國“燃料電池公共汽車”（AFCB）項目（2012年～2018年）等。

自2003年起，我國在聯合國開發計劃署（UNDP）、全球環境基金（GEF）和科技部（MOST）的支持下，分期啟動了“促進中國燃料電池汽車商業化發展”項目，開展燃料電池汽車示范運營工作，包括：一期項目（2003年～2007年）、二期項目（2007年～2012年）和三期項目（2016年～2021年）。同時，科技部資助了“典型區域多種燃料電池汽車示范運行研究”項目（2018年～2021年），選取京津冀、中原、長三角和珠三角四個區域，驗證了車輛的環境適應性、可靠性、耐久性和安全性等。三期項目和科技部項目均是全球關注的大規模、多車型示范標桿項目。目前，我國燃料電池汽車所有車輛累計行駛里程超1億公里。

本文基于張家口地區燃料電池公交車示范運營工作，通過抽樣數據整理和共性問題分析，總結示范成果和經驗，為燃料電池公交車推廣應用提供參考。

二、示范條件

（一）車輛

抽取的樣本數據來自2018年投入運營的10輛10.5米公交車，配置30kW燃料電池發動機系統及35MPa氫系統（儲氫19.8kg），數據跟蹤采集時間為2年至3年，經歷了相對完整的復雜工況和運行環境，以期獲得相對全面的分析結果。

（二）氣候環境

氣候環境對燃料電池汽車運行影響較大的是溫度等。張家口地區冬季單日極端低溫接近-25℃，示范區域的海拔一般在500米～800米，全年氣壓為0.92×105Pa～0.95×105Pa（小于標準大氣壓），相對較低，全年相對濕度較低，有相當部分時間處于低濕狀態。

（三）氫能供應

在示范運營過程中，氫源前中期供應以電解水制氫、氯堿副產氫等為主，后期供應逐漸轉向可再生能源電解水制氫。氫氣輸運采用20MPa長管拖車，單車有效裝卸量約270kg。氫氣加注服務主要由加氫站提供，具備35MPa氫系統加注能力，日加注量為1500kg（峰值可達2500kg）。

（四）運維保障

1.氫安全

氫安全包括氫制取、儲運、加注和終端應用等多個層面，針對各涉氫環節均須制定并遵循相應的設計要求、操作規范、注意事項及應急措施等，如《安全指導規范》《燃料電池發動機使用手冊》《作業指導書》《維修和調試手冊》《應急保障方案》等。

2.運維服務

建立監控平臺，實時跟蹤車輛示范運營狀態。前期按10車/人、中后期按20車/人配置，確保運維保障，當車輛出現突發故障時，運維人員在1小時內趕到現場并針對車輛問題給出快速處理方案。

（五）示范路線

示范路線結合張家口示范區域的交通特點、出行需求以及氫基礎設施，選取示范路線的基本原則主要是便于加氫、便于維修、通行需求大、社會展示效果好等。基于上述需求，示范運營路線主要有1路、2路、9路、10路、23路、33路、39路、K1、K2、K3等10余條線路，大部分屬于市區交通主干路線，往返里程20km～70km，加氫距離2km～5km。

三、示范情況

2018年至2021年期間，燃料電池公交累計的運營數據為車輛304輛，運行里程1600萬公里，運行時間84萬小時，載客5157.38萬人次。

圖1是抽樣10輛公交單月運行里程統計圖，單月運營強度基本一致，2020年2月、3月運營強度降低（受疫情影響）。圖2是單月加氫量，趨勢與里程圖一致。根據統計，單次加氫量平均為10kg～12kg，即車輛一般在氣瓶儲氫量降至2/5時開始加注。

四、示范數據分析

（一）氫耗經濟性

氫耗是影響燃料電池車輛運行經濟性的重要因素。根據總運行里程及總加氫量，10.5米燃料電池公交車的平均百公里氫耗為6.29kg。假設加氫站終端加注價格按30元/kg計，則百公里能源成本為188.70元。對比一期（18kg）、二期（9.56kg）項目數據發現，燃料電池公交車能耗經濟性得到較好改善。

（二）耐久性

燃料電池電堆的壽命是燃料電池汽車發展的主要瓶頸之一。根據電壓-時間線性擬合斜率來預測燃料電池壽命，預測得到抽樣車輛的平均壽命為8700h。相比一期項目（1000h），燃料電池發動機系統耐久性得到較大提升。另外，本次抽樣的燃料電池發動機為2018年出產，屬于國產電堆示范早期產品，近兩年產品壽命有較大提升，超過1.6萬小時。

（三）可靠性

示范運行期間抽樣車輛累計發生故障192次，平均無故障里程7513公里。該數值優于一期（1375公里）、二期項目（3430公里），表明燃料電池發動機系統的可靠性逐漸提升。

五、示范效應

（一）產品質量提升

在示范運營過程中，發現并解決了多個共性關鍵問題（見表1），從設計、生產到運營等多個環節不斷完善產品質量保障體系，建立了從膜電極到燃料電池系統的國產化量產工藝流程。通過技術升級和產品迭代，目前燃料電池發動機系統功率覆蓋30kW～240kW，質量功率密度由100W/kg提升至810W/kg，效率由45%提升至60%，冷啟動能力由-10℃提升至-40℃，實現了跨越式提升。

表1共性問題與改進措施

（二）產業推動

示范運營促使產業鏈上下游密切合作、交流，資源得到有效整合，對產業鏈的完善和發展起到了積極推動作用。

第一，國產化。通過示范運營，培育出了新的零部件供應商，提升了國產化水平。例如，在空壓機方面，突破了空氣軸承等關鍵技術，實現了從空白到量產；氫氣循環泵方面，突破了適用于氫氣的軸封、防爆、電機等技術；在氫氣引射器方面，解決了工況與電堆匹配問題，實現自主設計，可替代氫氣循環泵；在水泵方面，從小流量發展到大流量，實現了量產；在增濕器方面，突破了膜管材料，實現了中試。

第二，降成本。燃料電池發動機系統成本約占整車成本1/2左右，也最具備降本潛力。在技術進步、規模擴大和核心部件國產化替代等多重主導因素推動下，燃料電池發動機系統成本快速下降，由示范運營早期的1.5萬元/kW～2.0萬元/kW降至0.5萬元/kW以下；整車（以9米客車為例）由170萬元/輛下降至85萬元/輛左右（相同配置、不計補貼）。

第三，氫能產業鏈完善。通過示范拉動，促使京津冀乃至全國構建了相對完備、自主可控的氫能與燃料電池汽車產業鏈，涵蓋了氫制儲運加、燃料電池核心部件與材料、整車制造與運營等眾多領域。

（三）商業模式驗證

多名學者認為，基于國家級產業引導政策和應用場景分析，我國燃料電池汽車發展路線應以商用車為主，尤其是在燃料電池產業發展的前期，發展燃料電池商用車的價值高于乘用車。示范運營驗證了燃料電池商用車商業化發展的可行性。由于商用車體積較大、動力性能和續駛里程要求較高，同時行駛路線相對固定，對加氫站數量的依賴性較低，可以在加氫站密度相對偏低的情況下支持燃料電池商用車輛的常態化運營，有效緩解“加氫焦慮”。

燃料電池公交車作為公共出行工具，線路輻射區域寬廣，起到了較好的移動宣傳作用，提高了社會對氫能與燃料電池汽車技術及商業模式的認可度。事實上，在示范運營的推動下，張家口燃料電池車輛運營規模逐漸增大。

總結

通過大規模、長周期示范運營，在復雜運行環境和工況條件下（如低溫、高溫、低濕、高海拔等），驗證了燃料電池公交車的環境適應性、耐久性、可靠性和安全性。同時，積累了大量的實測數據和運維經驗，為技術升級、產品迭代、運維保障等提供了改進和驗證平臺，推動了氫能與燃料電池汽車產業發展，促進了政策法規完善，補齊了產業鏈條，包括氫制儲運加、燃料電池發動機系統核心零部件及材料、整車集成與運營等，成功保障了2022冬奧“氫能出行”服務，為燃料電池示范城市群建設打下了堅實基礎。

燃料電池商用車在城市公交、物資流通等領域率先應用之后，伴隨著氫能與燃料電池技術發展與成本下降，將進一步向港口碼頭、城際物流、城際客運、特定路線的軌道交通等領域拓展。我國約50%的石油消費需求來自交通運輸業，而傳統商用車整體燃油消耗遠超乘用車，實現商用車從傳統燃油動力向氫燃料動力的轉型，有利于緩解環境污染問題、優化能源消費結構，助力實現雙碳目標。

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