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(tuán)）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(shí)間短等特點(diǎn)，隨著技術(shù)的進(jìn)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(kuò)大。氫燃料電池汽車在公交的推廣，對(duì)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(duì)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(yùn)輸、固定式電站、流動(dòng)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?yán)硐氲膭?dòng)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(fù)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(dòng)力系統(tǒng)

氫燃料電池汽車動(dòng)力配置方案有純?nèi)剂想姵亍⑷剂想姵丶有铍姵?、燃料電池加超?jí)電容、燃料電池加蓄電池加超級(jí)電容、燃料電池加飛輪以及插電式等六類。

燃料電池電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動(dòng)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(yùn)行時(shí)的主要?jiǎng)恿υ?，為車輛的常規(guī)運(yùn)行提供所需能量；輔助動(dòng)力源主要為蓄電池，提供車輛在啟動(dòng)、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(shí)能夠減小對(duì)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(jī)控制器直接相連分為直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。

（1）直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)（圖2）。燃料電池系統(tǒng)直接與電機(jī)控制器相連，同時(shí)，使用蓄電池作為輔助動(dòng)力裝置，蓄電池組和動(dòng)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(dòng)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(duì)燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行電壓匹配，并對(duì)燃料電池系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行控制，輔助動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)

圖3 間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

燃料電池直接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，為滿足車輛良好的動(dòng)力性，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)（FCE）必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性和V-I特性，同時(shí)，為避免FCE瞬時(shí)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(duì)偏高。

燃料電池間接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，由于DC/DC變換器的作用，實(shí)現(xiàn)了FCE與儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的功率耦合和電壓隔離，有利于對(duì)燃料電池動(dòng)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(jì)實(shí)用的混合動(dòng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后的特點(diǎn)，而城市公交大客車運(yùn)行存在驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)功率波動(dòng)頻率高、幅度大以及長續(xù)駛里程的總驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)能量較大等工況，因此氫燃料電池公交車動(dòng)力系統(tǒng)一般采用燃料電池加功率型動(dòng)力電池的電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)方案。

圖4 國內(nèi)氫燃料電池客車動(dòng)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(dòng)力系統(tǒng)為動(dòng)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(dòng)汽車存在一定的差異。圖4是國內(nèi)燃料電池公交客車動(dòng)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(jī)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(dòng)力電池相結(jié)合的電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)，配有8～10個(gè)35MPa儲(chǔ)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(shí)間一般不超過10min，續(xù)航里程可達(dá)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(yùn)營的關(guān)鍵，相關(guān)產(chǎn)業(yè)包括制、儲(chǔ)、運(yùn)、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?；剂现茪浒ㄊ?、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?fàn)t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(jì)，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(biāo)。

4.1.2 儲(chǔ)運(yùn)

儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、固體儲(chǔ)運(yùn)和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)等，表1列出了各種儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。

表1 不同儲(chǔ)運(yùn)方法的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度和優(yōu)缺點(diǎn)

4.1.3 加氫

目前主要應(yīng)用技術(shù)成熟的高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式，氫氣加注是通過將不同來源的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓，然后儲(chǔ)存在加氫站內(nèi)的高壓儲(chǔ)罐中，再通過氫氣加氣機(jī)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(yán)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(duì)較低的遠(yuǎn)郊地區(qū)布局，較短的加氫時(shí)間和較長的續(xù)駛里程，完全可以實(shí)現(xiàn)燃料電池公交車“遠(yuǎn)郊加氫、市-郊中長途運(yùn)行”的方案。另一方面，國內(nèi)已出臺(tái)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)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(tuán)等）有著豐富的氫能資源和傳統(tǒng)加油站網(wǎng)絡(luò)體系，對(duì)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?。?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(yùn)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(jì)性

氫的成本主要包括制氫、輸運(yùn)和加氫三個(gè)環(huán)節(jié)。

以1000Nm3/h的制氫規(guī)模為計(jì)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(shì)明顯，是制氫技術(shù)路線的選擇重點(diǎn)；從長遠(yuǎn)來看，低能耗、高效率及低污染是制氫技術(shù)追求的目標(biāo)，先進(jìn)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(yùn)環(huán)節(jié)目前以20MPa的長管拖車為主，一般認(rèn)為輸運(yùn)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(yùn)營而定，目前加氫站核心設(shè)備有壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐和加氣機(jī)等，多為國外進(jìn)口，如果能實(shí)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(jià)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(jì)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(xiàng)目，3輛進(jìn)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(yùn)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(yùn)行。2016年，佛山投入12輛燃料電池客車用于公交運(yùn)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(yùn)營120余天。2018年，如皋有3輛燃料電池公交車開始運(yùn)營，開啟我國縣級(jí)城市氫能公交運(yùn)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(yùn)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(diǎn)，在推廣應(yīng)用中需要注意的問題主要是技術(shù)適用性、運(yùn)維、政策法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)、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(duì)燃料電池車輛的運(yùn)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(jìn)一步考量和驗(yàn)證，尤其是低溫啟動(dòng)性能和耐久性等。

（2）運(yùn)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(shí)、公交運(yùn)維保障及應(yīng)急方案的改進(jìn)完善等。

（3）政策法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)：目前政策對(duì)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(biāo)準(zhǔn)的限制，相關(guān)產(chǎn)業(yè)發(fā)展相對(duì)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(qiáng)這方面的工作，使政策能真正推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)營成本均相對(duì)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)?；?yīng)。隨著燃料電池技術(shù)不斷進(jìn)步和燃料電池汽車規(guī)?；茝V應(yīng)用，相關(guān)零部件規(guī)?；a(chǎn)化，燃料電池汽車的購置和運(yùn)營成本將會(huì)大幅下降，又可反推燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)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(yùn)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(cè)、靜電防護(hù)、防爆、阻燃等方面進(jìn)行預(yù)防和控制。另一方面，需要對(duì)駕駛員開展安全駕駛和應(yīng)急處理培訓(xùn)，對(duì)社會(huì)公眾開展氫能安全普及宣貫。