廣告
卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
2020-03-17 22:59:57· 來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂
文章來(lái)源：《卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀》DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.05.036卡車用燃料電池系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)交付量最大的燃料電池產(chǎn)品，也是燃料電池系統(tǒng)
文章來(lái)源：《卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀》DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.05.036
卡車用燃料電池系統(tǒng)是目前國(guó)內(nèi)交付量最大的燃料電池產(chǎn)品，也是燃料電池系統(tǒng)中最核心的研究領(lǐng)域。根據(jù)國(guó)內(nèi)相關(guān)專利分布的研究可知，目前國(guó)內(nèi)的卡車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)的專利仍集中在國(guó)外企業(yè)，其專利分布是以系統(tǒng)和其控制方法相關(guān)的研究最多，其次是燃料電池電極以及電堆相關(guān)的研究。隨著國(guó)內(nèi)對(duì)于燃料電池行業(yè)的關(guān)注度的提升，國(guó)內(nèi)卡車用燃料電池的技術(shù)研究也不斷發(fā)展，未來(lái)仍需在加大產(chǎn)品功率、提升產(chǎn)品可靠性和降低產(chǎn)品成本方向上加大開(kāi)發(fā)力度，推動(dòng)燃料電池行業(yè)的持續(xù)發(fā)展。
1 我國(guó)燃料電池卡車行業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀
目前每年的汽車尾氣排放中，卡車的NOX以及PM排放量均高居榜首。2018年環(huán)保局?jǐn)?shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)顯示，全部卡車的NOX和PM排放量占總排放量的84%和78%，特別是重卡，在這兩個(gè)方向上均為最主要的污染源。因此，為完成2030年的減排指標(biāo)，卡車行業(yè)的節(jié)能減排勢(shì)在必行，純電動(dòng)重卡、燃料電池重卡、甲醇重卡這些細(xì)分市場(chǎng)逐步興起。從2013年開(kāi)始，新能源卡車市場(chǎng)銷量逐漸上升。從2013年全國(guó)僅不足2000臺(tái)的銷量一直到2017年的年銷量突破15萬(wàn)，但由于補(bǔ)貼政策的退坡，對(duì)于該領(lǐng)域也有一定影響，2018年市場(chǎng)銷量下降至11萬(wàn)輛。
隨著新能源卡車市場(chǎng)的不斷升溫，燃料電池卡車由于其節(jié)能環(huán)保、系統(tǒng)效率高、續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)勢(shì)，也成為了各企業(yè)關(guān)注的產(chǎn)品開(kāi)發(fā)方向。從2016年開(kāi)始燃料電池卡車行業(yè)的卡車銷量呈上升趨勢(shì)，但卻并不穩(wěn)定，特別2018年的交付量較低，整體行業(yè)受產(chǎn)業(yè)政策和地方政府驅(qū)動(dòng)方案影響較大。其中主要的生產(chǎn)廠家為中通客車、東風(fēng)汽車和上汽大通。
截至到2019年9月，已經(jīng)有9家車企的34款氫燃料電池卡車進(jìn)入了推薦目錄，其中東風(fēng)、中通的車型分布最多，分別占50%和14%，但這些車型大多未形成持續(xù)的銷售訂單，這與燃料電池系統(tǒng)技術(shù)更迭和國(guó)家補(bǔ)貼政策的變化均有關(guān)聯(lián)度。而推薦目錄中的車型主要以7-9噸的中卡為主，占所有車型的97%，而燃料電池系統(tǒng)的額定功率大多在30kW，占全部車型的73%。隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步以及補(bǔ)貼政策要求的提升，系統(tǒng)功率也在逐漸提升，從2018年開(kāi)始已經(jīng)逐漸向60kW系統(tǒng)提升（ 圖1）。
2 卡車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀
對(duì)卡車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)專利進(jìn)行檢索，其中主要的專利申請(qǐng)人為現(xiàn)代自動(dòng)車株式會(huì)社和起亞自動(dòng)車株式會(huì)社，兩個(gè)申請(qǐng)人的專利占整個(gè)專利的數(shù)量的60%以上，對(duì)目前國(guó)內(nèi)的卡車用燃料電池系統(tǒng)相關(guān)專利進(jìn)行方向分析，其主要涉獵的技術(shù)領(lǐng)域如圖2，其中燃料電池系統(tǒng)以及控制相關(guān)的專利數(shù)量最多，其次為燃料電池電極和電堆的相關(guān)研究。
在上述專利中選取典型的專利進(jìn)行分析：
CN110190299A描述了一種豐田汽車公司開(kāi)發(fā)的燃料電池系統(tǒng)及控制方法，其主要有燃料電池系統(tǒng)、燃料氣體供給系統(tǒng)、氧化劑氣體供給系統(tǒng)、電力控制系統(tǒng)和發(fā)電控制系統(tǒng)以及負(fù)載。其中最主要的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)即為燃料氣體供給系統(tǒng)中的高壓、中壓以及低壓燃料氣體供氣管路的設(shè)計(jì)。其中高壓燃料氣體管路中利用噴射器對(duì)燃料氣體的壓力與流量進(jìn)行調(diào)節(jié)并向下游噴射。而在低壓燃料氣體管路中則采用回流泵將將反應(yīng)氣體重新送至燃料電池系統(tǒng)入口，以提升氫氣利用率。
CN109904509A本描述了現(xiàn)代汽車開(kāi)發(fā)的一種燃料電池堆及其組裝方法。相對(duì)于傳統(tǒng)的利用螺栓或者利用螺桿和螺母將緊固帶組裝至端板上的組裝方式，本專利中所描述的組裝方式是利用保護(hù)燃料電池的封閉件對(duì)燃料電池進(jìn)行加壓和密封，從而可減少組裝程序和組裝組件。
CN110492128A描述了現(xiàn)代汽車開(kāi)發(fā)的一種燃料電池雙極板的結(jié)構(gòu)，主要是通過(guò)設(shè)計(jì)旁通流動(dòng)路徑，使得在空氣壓力突然增加或者長(zhǎng)期停車時(shí)，可有不經(jīng)過(guò)流體分配區(qū)的相對(duì)短的空氣擴(kuò)散路徑，以避免燃料電池的膜電極頻繁地暴露于空氣的區(qū)域中，從而減少聚合物電解質(zhì)膜的劣化現(xiàn)象。
CN1370334A描述了戈?duì)柟鹃_(kāi)發(fā)的一種膜電極技術(shù)，其中包括催化層、質(zhì)子交換膜以及膜電極的基本組成、技術(shù)參數(shù)和制備工藝。其中催化層包含至少兩種不同催化劑活性組分，其主要組分為鉑和釕，其擔(dān)載量范圍在0.02-0.5mg/cm2之間。所選用的質(zhì)子交換膜厚度范圍為3-75μm，其透氣度為大于10000秒的Gurley數(shù)。在制備過(guò)程中可采用多項(xiàng)手段（如物理氣相沉積、化學(xué)氣相沉積、熱沉積、離子噴鍍等）手段進(jìn)行電極的制備。經(jīng)多個(gè)實(shí)施例的證明，該膜電極有著良好的性能，特別是抗CO能力更為突出。
3 我國(guó)燃料電池卡車運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性分析目前燃料電池卡車的車型主要是中卡系列，一般用于城市內(nèi)部的物流配送。其運(yùn)行模式主要是以物流運(yùn)營(yíng)公司驅(qū)動(dòng)，采用租賃方式滿足不同客戶的物流需求。由于目前示范運(yùn)行量并不高，全國(guó)示范運(yùn)行量在千臺(tái)左右，因此還需要不斷地驗(yàn)證產(chǎn)品的可靠性、運(yùn)營(yíng)模式的適應(yīng)性以及全生命周期的經(jīng)濟(jì)性。目前仍缺乏輕卡和重卡的示范運(yùn)營(yíng)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
為更好地分析燃料電池卡車的運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性，分別對(duì)燃料電池重卡、中卡以及輕卡三種車型進(jìn)行了模型分析，基本假設(shè)如下：
（1）單座加氫站加注能力為500kg/8h，可對(duì)應(yīng)50臺(tái)重卡、100臺(tái)中卡和150臺(tái)輕卡，加氫站建設(shè)成本1000萬(wàn)元/座，氫氣加注費(fèi)用40元/kg，運(yùn)營(yíng)費(fèi)10元/kg。
（2）燃料電池重卡、中卡和輕卡的售價(jià)分別為120萬(wàn)、80萬(wàn)和40萬(wàn)，對(duì)應(yīng)的百公里耗氫量分別為4kg、3.5kg和2.5kg，燃料電池功率分別為80kW、40kW和20kW，按照國(guó)補(bǔ)與地補(bǔ)的比例為1:0.5，則對(duì)應(yīng)的補(bǔ)助為60萬(wàn)元/臺(tái)、60萬(wàn)元/臺(tái)和18萬(wàn)元/臺(tái)，全部燃料電池卡車的日運(yùn)行的里程為300km。
（3）產(chǎn)品的生命周期為8年，車隊(duì)規(guī)模為1000臺(tái)。根據(jù)上述假設(shè)，對(duì)三種車型運(yùn)行進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析，分析結(jié)果如圖3。全生命周期內(nèi)，重卡的綜合成本最高，而輕卡則最低。這與目前傳統(tǒng)行業(yè)的情況類似。但是這三種車型中，三種不同成本的比例卻是一致，均為基礎(chǔ)設(shè)施攤銷比例最低，車輛購(gòu)置成本居中，而運(yùn)行成本最高。其中，運(yùn)行成本包括加氫站的氫氣費(fèi)用和加氫站的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用等。這主要與目前我國(guó)氫氣資源分布不均衡，氫氣制取、配送以及加注相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展與燃料電池汽車規(guī)模化需求不匹配造成的。本次假設(shè)是以1000輛車輛進(jìn)行測(cè)算，并不算真正的規(guī)模化運(yùn)行。經(jīng)過(guò)新一輪的實(shí)際示范運(yùn)行后，加氫站的運(yùn)行模式將會(huì)得到新的一輪驗(yàn)證，同時(shí)也會(huì)更加完善，整體的運(yùn)行成本也將會(huì)有大幅度的下降。預(yù)計(jì)整體運(yùn)行規(guī)模超過(guò)萬(wàn)臺(tái)以上，整體的運(yùn)行成本將會(huì)有大規(guī)模下降，單臺(tái)車全生命周期綜合成本可基本達(dá)到與傳統(tǒng)柴油車持平。
4 結(jié)論
目前，燃料電池卡車的運(yùn)行已經(jīng)進(jìn)入了初級(jí)商業(yè)化階段，但由于示范項(xiàng)目和商業(yè)化運(yùn)行樣本相對(duì)較少，因此發(fā)展仍存發(fā)展瓶頸，其中最主要的挑戰(zhàn)是燃料電池的高功率化和運(yùn)行成本的問(wèn)題，特別在經(jīng)濟(jì)性分析時(shí)，與低成本、高功率的柴油動(dòng)力卡車的對(duì)標(biāo)使得燃料電池卡車的經(jīng)濟(jì)性較弱。但若綜合考量污染物排放和環(huán)境因素，則燃料電池卡車的優(yōu)勢(shì)將比較明顯。因此，持續(xù)提升產(chǎn)品的技術(shù)的成熟度和可靠性同時(shí)，多選擇有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)的重點(diǎn)地區(qū)開(kāi)展商業(yè)化示范運(yùn)營(yíng)，通過(guò)一定規(guī)模的使用促進(jìn)技術(shù)、產(chǎn)業(yè)鏈成熟，加快提高燃料電池系統(tǒng)的性能水平，將成為未來(lái)發(fā)展的重點(diǎn)。
點(diǎn)贊 0 反對(duì) 0 舉報(bào) 0
收藏 0
評(píng)論 0 分享 79
廣告 編輯推薦
最新資訊
-
開(kāi)年豪擲1.8億搶用戶，又一車企加入“價(jià)格
2026-03-04 16:05
-
聯(lián)合國(guó)法規(guī)R60對(duì)兩輪車操縱件與指示裝置的
2026-03-04 12:08
-
標(biāo)準(zhǔn)立項(xiàng)|《汽車異種材料鉚接接頭拉伸性能
2026-03-04 11:40
-
“汽車大角度座椅 第1部分：通用要求”將有
2026-03-04 11:39
-
“汽車大角度座椅 第2部分：可靠性要求”將
2026-03-04 11:39
