氫燃料電池重卡技術(shù)發(fā)展的分析與研究

張婷婷 許彪 劉源泉 張杰

摘 要：氫燃料電池重卡是未來重型卡車發(fā)展的一個(gè)方向 其研究具有重要意義。文章闡述了氫燃料電池重卡的發(fā)展?fàn)顩r、特點(diǎn) 分析了氫燃料電池重卡的核心技術(shù) 并從氫燃料電池車基本構(gòu)成與工作原理、燃料電池堆工作原理、動(dòng)力蓄電池技術(shù)、儲氫技術(shù)等幾方面來做簡要概述。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池重卡;燃料電池堆;動(dòng)力蓄電池;儲氫技術(shù)

中圖分類號：U469.7? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? 文章編號：1671-7988（2020）18-04-03

Abstract： Hydrogen fuel cell heavy truck is a development direction of heavy truck in the future， and its research is of great significance. this paper describes the development and characteristics of hydrogen fuel cell heavy truck， and analysis the core technology of hydrogen fuel cell heavy truck. The basic structure and working principle of hydrogen fuel cell vehicle， working principle of fuel cell stack， power battery technology storage technology and hydrogenstorage technology are briefly introduced in this paper.

Keywords： Hydrogen fuel cell heavy truck; Fuel cell stack; Power battery; Hydrogenstorage technology

CLC NO.： U469.7? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2020）18-04-03

引言

近年來隨著日用工業(yè)品、煤炭、快遞、危化品、渣土、建材的運(yùn)輸加速了商用汽車的發(fā)展 而汽車尾氣中的固體懸浮微粒、碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物等給人類的生活環(huán)境帶來嚴(yán)重的污染 因而發(fā)展新能源汽車成為必然趨勢。2018年國務(wù)院印發(fā)了《打贏藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)三年行動(dòng)計(jì)劃》 第十五條指出要推廣使用新能源車 到2020年新能源汽車產(chǎn)銷量達(dá)到200萬輛左右?？梢娖嚱绲墓?jié)能、環(huán)保車型研發(fā)將是又一次變革。燃料電池卡車是新能源車的一個(gè)分類 被認(rèn)為是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案之一[1] 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(jìn)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(dòng)卡車 該車安裝了氫燃料電池 只有水蒸氣排出 可以實(shí)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(jī) 一次加注燃料就能行駛2000km[2]。

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(gè)總?cè)萘窟_(dá)12kWh鋰離子電池中 并向總功率為500kW的2臺電機(jī)提供電能[2-3]。

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(lì)科研創(chuàng)新、財(cái)政補(bǔ)貼、示范運(yùn)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(shí)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(tuán)、東風(fēng)汽車集團(tuán)、江鈴重型汽車、成都大運(yùn)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(dòng)力電池的組合。

2 氫燃料電池重卡特點(diǎn)

2.1 氫燃料電池重卡優(yōu)點(diǎn)

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(dòng)小

傳統(tǒng)重卡通過發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部燃料燃燒 把產(chǎn)生的熱能轉(zhuǎn)變?yōu)闄C(jī)械能 該過程會產(chǎn)生振動(dòng)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(dòng)電機(jī) 過程運(yùn)行平穩(wěn) 不發(fā)生振動(dòng) 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(dá)50%[4]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(jī)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(dòng)機(jī)高4～5倍 極大限制了商業(yè)化發(fā)展 而電堆成本在整個(gè)燃料電池系統(tǒng)中占比高達(dá)60%[5] 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(dá)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(jìn)行改進(jìn)。

3 氫燃料電池車基本構(gòu)成與工作原理

燃料電池按照動(dòng)力源的配置可分為純?nèi)剂想姵仳?qū)動(dòng)、燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅(qū)動(dòng)、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)及燃料電池與輔助電池和超級電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)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(dòng) 本文主要對該方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。

燃料電池車上沒有傳統(tǒng)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器、油箱等部件 主要由燃料電池堆、動(dòng)力蓄電池、高壓儲氫罐、DC/DC轉(zhuǎn)換器、驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)和動(dòng)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[6] 經(jīng)DC/DC變換器的阻抗匹配與電壓轉(zhuǎn)換后 與動(dòng)力蓄電池并聯(lián) 共同向驅(qū)動(dòng)電機(jī)輸出電能。驅(qū)動(dòng)電機(jī)將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能對車輛進(jìn)行驅(qū)動(dòng) 其工作原理示意圖如圖1所示。汽車行駛時(shí)主要采用燃料電池系統(tǒng)提供電力 動(dòng)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(shí) 動(dòng)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(shí) 動(dòng)力蓄電池回收燃料電池的富余電能。

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(kuò)散層組成。當(dāng)氫氣通過雙極板后達(dá)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(jìn)到達(dá)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(shí)釋放一定熱量 電堆工作原理如圖2所示。

陽極：

陰極：

總反應(yīng)式：

5 動(dòng)力蓄電池技術(shù)

目前汽車上使用的動(dòng)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?dòng)力電池技術(shù)路線。鋰離子電池適應(yīng)溫度能力差 價(jià)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(dòng)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(shí)間短 多應(yīng)用于重型牽引車上 如運(yùn)輸線路固定的危險(xiǎn)品專用車、路況良好短距離的港口牽引車[7]。

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(jìn)而提供源源不斷的動(dòng)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(jī)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(diǎn)已經(jīng)得到行業(yè)認(rèn)可 縱觀整個(gè)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(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化 同時(shí)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。

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