福建省首條氫能公交示范線探索

張堅

摘 要：我國2019年《政府工作報告》提出“推動充電、加氫等設(shè)施建設(shè)?！笔菤渥鳛槟茉词状螌懭搿墩ぷ鲌蟾妗贰淠芤詠碓簇S富、綠色環(huán)保、可存儲、高能量等鮮明特征，被公認(rèn)為21世紀(jì)的終極能源。本文旨在研究福建首條氫能公交示范探索過程的具體方案和結(jié)果。

關(guān)鍵詞：氫能

1 引言

迄今為止，人類社會目前已歷經(jīng)了三次翻天覆地的工業(yè)革命，即蒸汽時代、電氣時代、信息時代。人類文明每一次重大進(jìn)步都伴隨著能源的改進(jìn)和更替，以及全球產(chǎn)業(yè)的大轉(zhuǎn)移和國際格局的大調(diào)整。1769年瓦特發(fā)明了蒸汽機(jī)，使用煤炭，推動了第一次的工業(yè)革命;1873年大功率的電動機(jī)發(fā)明，電力的應(yīng)用進(jìn)到千家萬戶;之后石油、汽油、柴油得到廣泛應(yīng)用，而內(nèi)燃機(jī)的發(fā)明和使用更是推動了新的工業(yè)革命進(jìn)程。當(dāng)下世界，以綠色高效能源為核心的第四次工業(yè)革命已經(jīng)拉開序幕，新的能源使用方式將引領(lǐng)全方位的革新，重塑21世紀(jì)的能源產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)。第四次工業(yè)革命對中國來說是最大的歷史機(jī)遇，在這種變革的關(guān)鍵時刻，氫能成為了中國面對能源挑戰(zhàn)實現(xiàn)崛起的可行出路。

創(chuàng)立十余年的S公司，堅信只有持續(xù)改進(jìn)，不斷創(chuàng)新、推動轉(zhuǎn)型升級，才是實現(xiàn)有質(zhì)量、有效益、可持續(xù)發(fā)展的根本出路。2016年筆者加入S公司，著手組建氫能與燃料電池團(tuán)隊，2017年S公司與金龍客車簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，共同開發(fā)氫燃料電池大巴，包括不同長度段的城市公交、旅游客運(yùn)、團(tuán)體通勤等車型，雙方共同推動福建省首條氫能公交示范線開通。

2 福建首條氫能公交示范線的背景

2.1 氫能作為新興能源其安全應(yīng)用已十分成熟

在地球上，氫是大量存在的元素，構(gòu)成了宇宙質(zhì)量的75%。氫能是無碳、無毒的綠色能源，氫能從生產(chǎn)到利用過程均能實現(xiàn)零排放、零污染。氫的質(zhì)量熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為120.1MJ/kg，是汽油的3倍。在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，1L氫氣的質(zhì)量為0.089g。同體積的氫氣，質(zhì)量約是空氣的1/14，天然氣的1/10。即使有少量的氫氣泄漏也會很快逃逸，而不像汽油蒸汽揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散，且其泄露能量和爆炸當(dāng)量較低，可以說氫氣要比汽油和LNG更加安全。氫氣作為工業(yè)氣體已經(jīng)有很長的使用歷史，安全規(guī)范完整，有標(biāo)準(zhǔn)的操作規(guī)程。從氫氣的充裝到運(yùn)輸?shù)母鱾€流程，都配有完善的安全裝置和詳細(xì)的操作規(guī)范，有效降低儲運(yùn)危險性。

近年來，氫能源以綠色環(huán)保、高能量的鮮明特征，在全球能源格局調(diào)整與氣候變化應(yīng)對中發(fā)揮著越來越重要的作用。氫與氧發(fā)生化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電力，此過程生成的物質(zhì)只有水。目前，制氫、儲氫、加氫和燃料電池等多個環(huán)節(jié)中的裝備和關(guān)鍵技術(shù)都有一定的突破，整體催生了氫能經(jīng)濟(jì)的吸引力。

2.2 福建政策引導(dǎo)，探索氫能汽車示范應(yīng)用

美國、加拿大、日本、韓國等國家，已陸續(xù)出臺氫能及燃料電池相關(guān)政策及發(fā)展規(guī)劃。近年來我國也愈發(fā)重視氫能發(fā)展，以廣東、上海、湖北、江蘇為代表的地方政府持續(xù)推出一系列扶持政策，推動氫能產(chǎn)業(yè)及企業(yè)快速落地。據(jù)統(tǒng)計，2019年全國4個直轄市10個省份30個地級市先后出臺相關(guān)政策。

福建是全國首個生態(tài)文明先行示范區(qū)，2017年9月，省政府印發(fā)了《福建新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2017—2020）》（閩政【2017】36號），以戰(zhàn)略性、前瞻性的視野，搶占機(jī)遇，積極推進(jìn)我省新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展，實現(xiàn)汽車行業(yè)轉(zhuǎn)型升級、跨域發(fā)展。2019年3月福建工業(yè)和信息化廳發(fā)布“2019年全省新能源汽車推廣應(yīng)用和產(chǎn)業(yè)發(fā)展工作要點的通知”（閩工信裝備【2019】48號），進(jìn)一步明確福州市積極開展氫燃料動力電池汽車示范應(yīng)用。福州市高度重視氫能產(chǎn)業(yè)布局發(fā)展，2019年初成立了福州市氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展專項工作領(lǐng)導(dǎo)小組，負(fù)責(zé)制定氫能基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、示范運(yùn)營推廣等發(fā)展規(guī)劃和實施細(xì)則，逐步建立起全市上下共同謀劃推進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)鏈布局的工作機(jī)制。

3 燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)

3.1 燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)設(shè)計集成

2017年S公司與K客車簽訂戰(zhàn)略合作協(xié)議，考慮到目標(biāo)市場是Z市城市公交使用（最高車速69km/h），兩方協(xié)商共同開發(fā)首款產(chǎn)品為8.5米氫燃料電池大巴。并明確分工，S公司負(fù)責(zé)車載30kW燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，K客車完成燃料電池客車整車結(jié)構(gòu)布置以及整車控制策略研發(fā)。

S公司將燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，進(jìn)一步拆分成六大子系統(tǒng)，分別為一燃料電池電堆、二空氣供應(yīng)系統(tǒng)、三監(jiān)控系統(tǒng)、四輔助系統(tǒng)、五電能變換設(shè)備、六氫氣系統(tǒng)，各個裝置的主要功能和設(shè)備詳細(xì)構(gòu)成見表1所示，結(jié)構(gòu)組成見圖1。將系統(tǒng)開發(fā)過程分成5個階段：

（1）根據(jù)整車功率以及布置要求，開展30kW燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成設(shè)計。主要內(nèi)容包括：總體結(jié)構(gòu)設(shè)計，提高系統(tǒng)集成度;完成空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)設(shè)計選型，實現(xiàn)系統(tǒng)外部接口設(shè)計，完成氫、氧、水、電的排放和交互;產(chǎn)品連接電氣原理圖，系統(tǒng)CAN網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)設(shè)計，達(dá)到提高系統(tǒng)響應(yīng)速度、能量轉(zhuǎn)換效率和供電品質(zhì);發(fā)動機(jī)關(guān)鍵工藝技術(shù)研究，滿足發(fā)動機(jī)模塊化設(shè)計及可靠性、維修性需求。

（2）開展30kW燃料電池發(fā)動機(jī)熱管理系統(tǒng)設(shè)計及評測方法研究。具體內(nèi)容包括：設(shè)計適用于車用氫燃料電池系統(tǒng)的高效熱管理系統(tǒng)，使氫燃料電池在運(yùn)行時能夠穩(wěn)定在安全的溫度區(qū)間。

（3）開展30kW車載DCDC變換器設(shè)計及評測方法研究。具體內(nèi)容包括：研究30kW 車載DCDC變換器電氣隔離結(jié)構(gòu)，確定隔離結(jié)構(gòu)設(shè)計;開展DCDC變換器制造工藝研究，確定關(guān)鍵制造工藝;進(jìn)行適應(yīng)客車工況的DCDC變換器的適應(yīng)性研究;完成30kW 車載DCDC變換器的典型試驗和測試試驗，取得相關(guān)認(rèn)證。

（4）開展30kW燃料電池發(fā)動機(jī)多合一控制器設(shè)計及評測方法研究。具體內(nèi)容包括：研究燃料電池控制器的低功耗、低成本、小體積實現(xiàn)，確定控制器的器件選型;研究燃料電池控制器的電氣隔離結(jié)構(gòu)，在兼顧體積盡量小、穩(wěn)定可靠、電磁兼容的原則上，確定控制器的硬件結(jié)構(gòu)布局;研究燃料電池控制器的響應(yīng)速度快、控制精度高、運(yùn)行穩(wěn)定實現(xiàn)，確定控制器的制作工藝和材料要求;研究燃料電池控制器的相關(guān)測試標(biāo)準(zhǔn)，取得相關(guān)認(rèn)證。

（5）根據(jù)整車?yán)m(xù)航里程以及布置要求，開展車載氫系統(tǒng)集成設(shè)計及評測方法研究。具體內(nèi)容包括：研究車載儲氫瓶組的應(yīng)力分析，利用仿真軟件隨機(jī)振動三個方向、靜力8g加速度沖擊六個方向進(jìn)行分析計算，確保結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性;加氫口、氫系統(tǒng)的典型試驗，如常溫壓力循環(huán)試驗、跌落試驗、氣密試驗、疲勞試驗和水壓爆破試驗等;取得供氫系統(tǒng)國家強(qiáng)檢報告，氫氣瓶提供壓力容器相關(guān)的所有制造、監(jiān)檢和質(zhì)量批次證書。

3.2 燃料電池發(fā)動機(jī)強(qiáng)檢試驗

2018年11月，S公司研制30kW燃料電池發(fā)動機(jī)樣機(jī)并送國家機(jī)動車檢測中心進(jìn)行強(qiáng)檢試驗，為下一步整車申請公告、工業(yè)和信息化部目錄以及公司開發(fā)大功率燃料電池發(fā)動機(jī)在重卡、轎車上應(yīng)用，積累數(shù)據(jù)奠定技術(shù)基礎(chǔ)。

燃料電池發(fā)動機(jī)性能需滿足國家標(biāo)準(zhǔn)一GB/T 24554-2009《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗方法》，具體項目包含：1 起動特性試驗、2功率試驗、3動態(tài)響應(yīng)特性試驗、4穩(wěn)態(tài)響應(yīng)特性試驗、5緊急停機(jī)功能測試、6氣密性測試、7質(zhì)量測試、8絕緣電阻測試、9額定輸出功率測試;以及國家標(biāo)準(zhǔn)二GB/T 33978-2017《道路車輛用質(zhì)子交換膜燃料電池模塊》中高低溫儲存試驗等。2019年1月燃料電池發(fā)動機(jī)取得強(qiáng)檢性報告，如下圖2。

3.3 整車強(qiáng)檢試驗和公告目錄申請

2019年初金龍客車8.5米氫燃料電池大巴進(jìn)入整車試裝，整車采用承載式車身、3H金鋼封閉環(huán)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用Q700高強(qiáng)鋼，車輛骨架結(jié)構(gòu)安全性優(yōu)越;整車采用燃料電池+動力電池的電電混合能量匹配方案，搭載高性能質(zhì)子交換膜燃料電池，具備高安全性、高經(jīng)濟(jì)性、高可靠性;設(shè)立氫燃料電池客車專用監(jiān)控平臺，可對燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行實時動態(tài)監(jiān)測，確保運(yùn)行安全;整車控制系統(tǒng)采用了多能源耦合能量分配控制技術(shù)、燃料電池控制技術(shù)、氫-電-結(jié)構(gòu)安全耦合技術(shù)等先進(jìn)技術(shù)，具備多重安全保障。

2019年4月8.5米氫燃料電池大巴送國家機(jī)動車檢測中心進(jìn)行強(qiáng)檢試驗，隨后立即申請公告和工業(yè)和信息化部推薦目錄、購置稅減免目錄、車船稅減免目錄和環(huán)保目錄。2019年5月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《道路機(jī)動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品（第320批）》，首款8.5米氫燃料公交XMQ6850AGFCEV正式發(fā)布。該客車燃料種類為氫氣，燃料電池系統(tǒng)額定功率30kW，驅(qū)動電機(jī)額定功率59kW，峰值功率150kW。當(dāng)氫系統(tǒng)不工作時，續(xù)航里程為230km;氫系統(tǒng)工作時，續(xù)航里程可達(dá)460km。如下圖3。2019年7月，工業(yè)和信息化部發(fā)布《道路機(jī)動車輛生產(chǎn)企業(yè)及產(chǎn)品（第322批）》，第二款8.5米氫燃料公交XML6855JFCEV10C正式發(fā)布。該客車燃料種類為氫氣，當(dāng)氫系統(tǒng)不工作時，續(xù)航里程為120km;氫系統(tǒng)工作時，續(xù)航里程可達(dá)700km。

4 結(jié)論

2019年11月4號6時20分，福建省首批氫燃料電池城市公交上線于Z市616路。氫能公交剛開始示范運(yùn)營，就引起眾多市民迫不及待趕來嘗鮮，搶先感受這一高科技產(chǎn)品的魅力。如下圖4，晚上20時38分，閩運(yùn)公交公司袁師傅把奔波了近14個小時的氫燃料電池大巴停在終點站祥州村附近的停車場站，全天總行駛里程198公里，百公里耗氫約4.2kg。按目前70元/公斤的氫氣價格，每公里成本約3元。氫氣被存儲在車頂?shù)膬涔拗?，行駛時，氫氣在燃料電池中，通過催化劑的作用，與空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，產(chǎn)生電能。

首批氫燃料電池公交正式上線，標(biāo)志著福建氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展進(jìn)入一個新的里程，初步打通涵蓋氫氣制備、儲運(yùn)、燃料電池系統(tǒng)、整車制造和加氫站建設(shè)運(yùn)營在內(nèi)的氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈，為下一步規(guī)?；茝V應(yīng)用打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻(xiàn)：

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