氢燃料电池重卡技术发展的分析与研究

张婷婷 许彪 刘源泉 张杰

摘 要：氢燃料电池重卡是未来重型卡车发展的一个方向 其研究具有重要意义。文章阐述了氢燃料电池重卡的发展状况、特点 分析了氢燃料电池重卡的核心技术 并从氢燃料电池车基本构成与工作原理、燃料电池堆工作原理、动力蓄电池技术、储氢技术等几方面来做简要概述。

关键词：氢燃料电池重卡;燃料电池堆;动力蓄電池;储氢技术

中图分类号：U469.7  文献标识码：A  文章编号：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

近年来随着日用工业品、煤炭、快递、危化品、渣土、建材的运输加速了商用汽车的发展 而汽车尾气中的固体悬浮微粒、碳氧化物、氮氧化物、硫氧化物等给人类的生活环境带来严重的污染 因而发展新能源汽车成为必然趋势。2018年国务院印发了《打赢蓝天保卫战三年行动计划》 第十五条指出要推广使用新能源车 到2020年新能源汽车产销量达到200万辆左右。可见汽车界的节能、环保车型研发将是又一次变革。燃料电池卡车是新能源车的一个分类 被认为是解决全球能源和环境问题的理想方案之一[1] 在轿车和客车上技术已经很成熟 但在重型商用车上国内外现今都无批量出售 处于技术研发向商业化推广的过渡阶段 遇到的瓶颈问题还未解决 有待进一步研究。

1 国内外燃料电池重卡发展状况

1.1 国外燃料电池重卡发展

2016年 美国尼古拉汽车公司发布一款名为Nikola One的概念型电动卡车 该车安装了氢燃料电池 只有水蒸气排出 可以实现零排放。据透露 未来将有多种配置 视不同行程搭载不同容量的储氢罐和蓄电池。顶级版的氢燃料电池牵引车 将配备320kW.h的锂离子电池和功率736kW的电机 一次加注燃料就能行驶2000km[2]。

2017年 丰田北美公司与US Hybrid公司联手 研制了肯沃斯T660型氢燃料电池牵引车。该车搭载了740组氢燃料电池 产生的电能蓄积在两个总容量达12kWh锂离子电池中 并向总功率为500kW的2台电机提供电能[2-3]。

1.2 国内燃料电池重卡发展

为了大力发展氢能 国务院和国家发改委通过鼓励科研创新、财政补贴、示范运行等方式支持氢能发展。在《“十三五”国家战略性新兴产业发展规划》中明确提到 实现氢燃料电池汽车批量生产和规模示范应用。

截止目前 从工信部《新能源汽车推荐目录》的燃料电池重卡有5款 分别是中国一汽集团、东风汽车集团、江铃重型汽车、成都大运汽车、南通皋开汽车;另外国内还有一部分企业已成功研发氢燃料重卡 比如陕汽、中国重汽、飞驰汽车、徐工等企业。其相应的产品均采用氢燃料和动力电池的组合。

2 氢燃料电池重卡特点

2.1 氢燃料电池重卡优点

2.1.1 无污染、零排放

燃料电池是通过电化学反应而不是燃烧获取能量 反应产物只有水 无有害氧化物产生。

2.1.2 噪音低、振动小

传统重卡通过发动机内部燃料燃烧 把产生的热能转变为机械能 该过程会产生振动以及很大噪音。而氢燃料电池重卡是在电堆内部发生电化学反应 直接输出电能 驱动电机 过程运行平稳 不发生振动 噪音低 只有55dB。

2.1.3 发电效率高

燃料电池发电效率高达50%[4]以上 这是由于燃料电池发生反应后直接产生电能 不需要经过热能或者机械能转换 减少了能量损失。

2.1.4 加注速率快

目前氢燃料采用高压加注 且行业上已克服加注温升问题 保证了氢燃料电池重卡加注速率。

2.2 氢燃料电池技术不足

2.2.1 燃料电池系统成本高

对于氢燃料电池重卡来说 燃料电池系统成本占比相对较高 至少比传统发动机高4～5倍 极大限制了商业化发展 而电堆成本在整个燃料电池系统中占比高达60%[5] 主要是由于反应所用的铂催化剂昂贵 若随着技术发展 减少铂的含量或者采用其他催化剂代替铂 将极大地降低整车成本。

2.2.2 续航里程较短

氢燃料电池重卡目前采用的是35MPa供氢系统 因整车布置原因 供氢系统均布置于驾驶室后方 续驶里程仅达300～500km 无法满足长续驶里程需求 后续可通过液氢或固态储氢方式进行改进。

3 氢燃料电池车基本构成与工作原理

燃料电池按照动力源的配置可分为纯燃料电池驱动、燃料电池与辅助蓄电池联合驱动、燃料电池与超级电容联合驱动及燃料电池与辅助电池和超级电容联合驱动的形式。行业上采用较多的是燃料电池与辅助蓄电池联合驱动 本文主要对该方式进行详细介绍。

燃料电池车上没有传统的柴油发动机、变速器、油箱等部件 主要由燃料电池堆、动力蓄电池、高压储氢罐、DC/DC转换器、驱动电动机和动力控制单元等组成 其中燃料电池堆为核心组件。电堆中氢与氧反应产生电能[6] 经DC/DC变换器的阻抗匹配与电压转换后 与动力蓄电池并联 共同向驱动电機输出电能。驱动电机将电能转化为机械能对车辆进行驱动 其工作原理示意图如图1所示。汽车行驶时主要采用燃料电池系统提供电力 动力蓄电池主要起调峰、增容、回收能量的作用。当汽车处于加速、上坡状态时 动力蓄电池作为辅助电源提供电力;当汽车处于下坡、减速状态时 动力蓄电池回收燃料电池的富余电能。

4 燃料电池堆工作原理

电堆主要由双极板和膜电极两部分组成 而膜电极是由质子交换膜、催化剂和气体扩散层组成。当氢气通过双极板后达到阳极 在催化剂作用下 氢分子分解成氢质子和电子。质子通过交换膜 继续前进到达阴极 而阴极的氧分子通过外部电路得到电子生成了氧离子 在催化剂作用下 氢质子和氧离子发生化学反应生成水 同时释放一定热量 电堆工作原理如图2所示。

阳极：

阴极：

总反应式：

5 动力蓄电池技术

目前汽车上使用的动力电池主要有锂离子电池、铅酸电池、镍氢电池、超级电容器等。其中锂离子和超级电容器是最有发展潜力的动力电池技术路线。锂离子电池适应温度能力差 价格贵 不适宜管理 但质量能量密度较大 多用于乘用车或者混合动力车上。而超级电容器能量密度比较低 不适宜于长途行驶 但功率密度大、充电时间短 多应用于重型牵引车上 如运输线路固定的危险品专用车、路况良好短距离的港口牵引车[7]。

6 储氢技术

燃料电池储氢系统的功能是为燃料电堆提供稳定的氢气 进而提供源源不断的动力。按照储氢方式的不同 可分为高压气态储氢、低温液态储氢、金属氢化物储氢及有机液体储氢等。衡量储氢技术的指标为质量储氢密度和体积储氢密度。

目前行业上主要采用高压气态储氢方式将气态氢储存在气瓶中 最大质量储氢密度为5.7% 体积储氢密度为40.4g/L。该技术以35MPa储氢技术为主 技术较为成熟 已广泛应用

于氢燃料电池汽车 而70MPa储氢技术处于研发阶段。

7 结语

氢燃料电池重卡的优点已经得到行业认可 纵观整个氢能产业链 虽然我国氢燃料电池重卡技术起步晚 但国内已初步形成一定的产业链 其相关氢能零部件正在逐渐实现国产化 同时各种储氢技术正在不断发展 相信不久的将来 “零排放”氢燃料电池重卡必将在新能源汽车领域占有一席之地。

参考文献

[1] 刘宗巍，史天泽，郝瀚，等.中国燃料电池汽车发展问题研究[J].汽车技术，2018，（1）.

[2] 张少华.氢燃料电池卡车加速大型车电动化进程[J].重型汽车， 2018，（1）.

[3] 陈然.卡车迈向氢燃料时代？[J].商用汽车，2018，（1）.

[4] 鲍鹏龙，章道彪，许思传，等.燃料电池车用空气压缩机发展现状及趋势[J].电源技术，2016，40（8）.

[5] 王佳.我国燃料电池汽车产业发展现状、问题与建议[J].汽车工业研究，2018，（9）.

[6] 沈现青.氢燃料电池车技术解析[J].汽车维护与修理，2015，（2）.

[7] 赵雷雷，王斌.纯电动卡车技术发展的分析与研究[J].汽车实用技术，2013，（2）.