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【干貨】氫燃料電池重卡技術(shù)發(fā)展分析

2022-05-18 來源:一覽氫能 瀏覽數(shù):673

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(shù)已經(jīng)很成熟,但在重型商用車上國內(nèi)外現(xiàn)今都無批量出售,處于技術(shù)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(shù)已經(jīng)很成熟,但在重型商用車上國內(nèi)外現(xiàn)今都無批量出售,處于技術(shù)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(nèi)外燃料電池重卡發(fā)展?fàn)顩r

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?cè)萘窟_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(nèi)燃料電池重卡發(fā)展
 
為了大力發(fā)展氫能,國務(wù)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(yīng)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(fēng)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(nèi)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(yīng)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(xué)反應(yīng)而不是燃燒獲取能量,反應(yīng)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(nèi)部燃料燃燒,把產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)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(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),直接輸出電能,驅(qū)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(yīng)后直接產(chǎn)生電能,不需要經(jīng)過熱能或者機械能轉(zhuǎn)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(shù)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(yīng)所用的鉑催化劑昂貴,若隨著技術(shù)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(gòu)成與工作原理
 
燃料電池按照動力源的配置可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動、燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動及燃料電池與輔助電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)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(qū)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(zhuǎn)換器、驅(qū)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(yīng)產(chǎn)生電能,經(jīng)DC/DC變換器的阻抗匹配與電壓轉(zhuǎn)換后,與動力蓄電池并聯(lián),共同向驅(qū)動電機輸出電能。驅(qū)動電機將電能轉(zhuǎn)化為機械能對車輛進行驅(qū)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(diào)峰、增容、回收能量的作用。當(dāng)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(dāng)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(zhì)子交換膜、催化劑和氣體擴散層組成。當(dāng)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(zhì)子和電子。質(zhì)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(zhì)子和氧離子發(fā)生化學(xué)反應(yīng)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(shù)
 
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(shù)路線。鋰離子電池適應(yīng)溫度能力差,價格貴,不適宜管理,但質(zhì)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(yīng)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(shù)
 
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(shù)的指標(biāo)為質(zhì)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(zhì)量儲氫密度為5.7%,體積儲氫密度為40.4g/L。該技術(shù)以35MPa儲氫技術(shù)為主,技術(shù)較為成熟,已廣泛應(yīng)用于氫燃料電池汽車,而70MPa儲氫技術(shù)處于研發(fā)階段。
 
7 結(jié)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(shù)起步晚,但國內(nèi)已初步形成一定的產(chǎn)業(yè)鏈,其相關(guān)氫能零部件正在逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化,同時各種儲氫技術(shù)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(lǐng)域占有一席之地。
閱讀上文 >> 氫氣制備和儲運的狀況與發(fā)展
閱讀下文 >> 燃料電池“心臟”升級,針對多場景應(yīng)用

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