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氫燃料電池重卡技術發(fā)展分析

2022-03-14 來源:EDC電驅未來 瀏覽數(shù):690

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(huán)境問題的理想方案之一,在轎車和客車上技術已經(jīng)很成熟,但在重型商用車上國內外現(xiàn)今都無批量出售,處于技術研發(fā)向商業(yè)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。

   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(huán)境問題的理想方案之一,在轎車和客車上技術已經(jīng)很成熟,但在重型商用車上國內外現(xiàn)今都無批量出售,處于技術研發(fā)向商業(yè)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(fā)展狀況
  
  1.1 國外燃料電池重卡發(fā)展
  
  2016年,美國尼古拉汽車公司發(fā)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(xiàn)零排放。據(jù)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。
  
  2017年,豐田北美公司與US Hybrid公司聯(lián)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(chǎn)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。
  
  1.2 國內燃料電池重卡發(fā)展
  
  為了大力發(fā)展氫能,國務院和國家發(fā)改委通過鼓勵科研創(chuàng)新、財政補貼、示范運行等方式支持氫能發(fā)展。在《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提到,實現(xiàn)氫燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)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(yè)已成功研發(fā)氫燃料重卡,比如陜汽、中國重汽、飛馳汽車、徐工等企業(yè)。其相應的產(chǎn)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(yōu)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(chǎn)物只有水,無有害氧化物產(chǎn)生。
  
  2.1.2 噪音低、振動小
  
  傳統(tǒng)重卡通過發(fā)動機內部燃料燃燒,把產(chǎn)生的熱能轉變?yōu)闄C械能,該過程會產(chǎn)生振動以及很大噪音。而氫燃料電池重卡是在電堆內部發(fā)生電化學反應,直接輸出電能,驅動電機,過程運行平穩(wěn),不發(fā)生振動,噪音低,只有55dB。
  
  2.1.3 發(fā)電效率高
  
  燃料電池發(fā)電效率高達50%以上,這是由于燃料電池發(fā)生反應后直接產(chǎn)生電能,不需要經(jīng)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(yè)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(tǒng)成本高
  
  對于氫燃料電池重卡來說,燃料電池系統(tǒng)成本占比相對較高,至少比傳統(tǒng)發(fā)動機高4~5倍,極大限制了商業(yè)化發(fā)展,而電堆成本在整個燃料電池系統(tǒng)中占比高達60%,主要是由于反應所用的鉑催化劑昂貴,若隨著技術發(fā)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(xù)航里程較短
  
  氫燃料電池重卡目前采用的是35MPa供氫系統(tǒng),因整車布置原因,供氫系統(tǒng)均布置于駕駛室后方,續(xù)駛里程僅達300~500km,無法滿足長續(xù)駛里程需求,后續(xù)可通過液氫或固態(tài)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(lián)合驅動、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅動及燃料電池與輔助電池和超級電容聯(lián)合驅動的形式。行業(yè)上采用較多的是燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)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(tǒng)的柴油發(fā)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(chǎn)生電能,經(jīng)DC/DC變換器的阻抗匹配與電壓轉換后,與動力蓄電池并聯(lián),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(tǒng)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(tài)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(tài)時,動力蓄電池回收燃料電池的富余電能。
  
 
  
  圖1 氫燃料電池車工作原理示意圖
  
  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(xù)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(fā)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。
  
  
  圖2 燃料電池電堆工作原理圖
  
  
  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(fā)展?jié)摿Φ膭恿﹄姵丶夹g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。
  
  6 儲氫技術
  
  燃料電池儲氫系統(tǒng)的功能是為燃料電堆提供穩(wěn)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(tài)儲氫、低溫液態(tài)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(yè)上主要采用高壓氣態(tài)儲氫方式將氣態(tài)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(fā)階段。
  
  7 結語
  
  氫燃料電池重卡的優(yōu)點已經(jīng)得到行業(yè)認可,縱觀整個氫能產(chǎn)業(yè)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(chǎn)業(yè)鏈,其相關氫能零部件正在逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化,同時各種儲氫技術正在不斷發(fā)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。

【延伸閱讀】

閱讀上文 >> 氫燃料電池技術架構及關鍵技術梳理
閱讀下文 >> 加氫站工藝流程及主要工藝設備選型分析

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