济南市氢燃料电池公交车示范运行项目的实施与效益

张小鹏 田 甜 刘 杰 段生赞

（1.济南公共交通集团有限公司,济南 250013；2. 济南市城市交通研究中心有限公司，济南 250014；3.四川宏达石油天然气工程有限公司，成都 611700）

为推动济南市氢燃料电池汽车产业发展，按照市委市政府部署，济南公交集团主动承担氢燃料电池公交车示范运行项目，积极探索产业协同发展，践行新旧动能转换、绿色发展理念，带动引领济南市氢能产业在公交领域推广示范应用。

1 济南市氢燃料电池公交车示范运行项目总体介绍

氢能产业作为能源变革发展的先导产业，加快其发展已成为推动新旧动能转换、谋求未来竞争新优势、抢占新能源技术制高点的重大举措。山东省及济南市先后出台多个指导文件，旨在推动以济南市为核心的山东氢能产业发展。济南公交集团积极推动氢燃料电池公交车示范运行项目，2019年以来，先后投入10.5m氢燃料电池公交车60辆，开通K115路5G氢能公交线路等3条示范线路，配套建设一座1000kg大型公交加氢站。

1.1 示范线路开通情况

2019年11月24日，首批10辆10.5m氢燃料电池公交车投入K115路示范运行（图1），由唐冶公交枢纽至经八路青年西路，单程21.3km。12月19日，实现K115路沿线5G网络全覆盖和车辆智能在线监控，成为国内首条5G氢能公交线路（图2）。2020年4月，投运第二批30辆氢燃料电池公交车。在K10路支线示范运行，由柿子园公交车场至花园路二环东路，单程28.7km。8月23日，为进一步加强主城区与章丘区的联系，开通了300路氢燃料电池示范公交线路，线路单程28km。

图1 济南首条氢燃料电池公交示范线路开通仪式

图2 济南氢能公交车5G+智能在线监控

1.2 示范线路运营情况

2020年，济南市氢燃料电池公交车示范运行111.7万km，累计运送乘客151.2万人次，加氢34.3t（氢能运行45.1万km），外充电53.8万kWh，示范运营效果良好。省市领导带头体验乘坐氢能公交车辆，先后开展院士乘公交、“畅享氢生活”乘车体验等活动，新闻媒体多次宣传报道，广大市民争相乘坐体验。

2 氢燃料电池公交车技术性能与配置

示范项目采用二级踏步燃料电池公交车，车长10.5m，额定载客81人，平均运行氢耗7.6kg/100km，续驶约280km。整车采用轻量化设计，全承载铝车身结构，配置全盘式制动、空气悬架系统、无油活塞电动空压机、单冷电动空调、壁挂式电暖风系统等。燃料电池发动机采用石墨电堆，额定功率46/50kW，体积功率密度2.5kW/L，效率可达59%，-15℃可低温启动。储氢瓶组为6只35MPa、140L铝内胆碳纤维全缠绕气瓶，储氢量21kg，高 压 管 路、接头、阀件和安全防护预警系统采用模块化整体设计。车载109kWh液冷式磷酸铁锂动力电池，车辆具备纯电运行功能。为提高安全性能，高压线束采用专用绝缘耐压达3000V的阻燃橡胶导线，配备车辆绝缘检测仪，实时检测显示绝缘值，低于阈值自动报警提示。车载智能监控终端具有定位、视频监控、远程通信、车辆数据采集、智能辅助安全防御等功能。

3 高标准建设公交加氢站，提高加氢保障能力

根据济南市加氢站发展规划，选定在济南市历城区韩仓公交枢纽场站内建设“济南公交第一加氢站”（图3）。该站站区面积3129m2，建筑面积403m2，设计日加注1000kg/12h@35MPa，可满足50-100辆氢能公交车加氢需求，每车次加注时间缩短到10min以内。站内分三个功能区，即高压设备区、加氢区、营业及控制区。主要配备：2台500kg级氢气压缩机、独立冷却系统、氮气系统；2个氢气瓶组和1个固定储氢长管拖车，2个卸气柱，顺序控制系统，储氢总容量为893.78kg；4台加氢机、8个大型公交车加氢位，双进双出加氢通道，智能站控系统，315kVA独立供电箱变。

图3 济南公交第一加氢站（韩仓）效果图

4 氢燃料电池公交车及加氢站的安全运行

4.1 创新开展氢燃料电池公交车运行维护研究，确保车辆安全运行

一是济南公交参与制定两个山东省地方标准，即DB37/T 4060-2020《氢燃料电池电动汽车运行规范》和DB37/T 4096-2020《车载氢系统气密性检测和置换技术要求》，用以指导规范氢能车辆日常运行以及车载氢系统气密性检测和置换要求，从运行基本条件、运行中危害预防、燃料电池系统和车载供氢系统的日常点检和维护、车辆启动、车辆停放与存放、氢燃料加注、系统检测、应急预案与演练等加以明确。二是开展氢能车辆压力容器、电工作业等特种作业培训，针对疫情防控新特点，采取校企联合、线上线下结合、特种作业操作培训和职业技能培训相结合、小班化教学等培训新模式，克服疫情困难，提高车辆管理人员、检验人员、维修人员的特种作业实操技能。三是规范氢能车辆使用维护管理工作。还制定了济南公交集团《氢燃料电池公交车燃料电池系统（潍柴WEF46）维护技术规范（暂行）》，严格执行车辆维护技术标准，定期进行车辆技术状况和安全检查。

4.2 积极探索公交加氢站建设新模式，引入优势资源，提供有力支撑

济南公交集团联合重汽集团共同推进加氢站建设工作。采用业主监督+委托建设+EPC实施体系，集聚省内优质氢能产业资源，采用威海豪顿华成套氢气设备、重汽危险品运氢车、济南明泉集团氢气气源、公交自有危化品运输车队等。示范运行公交车由重汽生产，采用潍柴氢燃料电池发动机。

4.3 探索协同推进机制，优化加氢站审批流程

项目实施初期，济南市加氢站建设政策尚未出台，存在主管单位不明确，审批流程无法落实的情况。本项目积极推进促成济南市出台《关于推进我市汽车加氢站规划建设运营管理工作的实施意见》（济政办发〔2020〕32号）。建立分级管理、并行推进、容缺办理机制，各责任主体负责项目不定期开展现场督查和专题协调，会商解决发展中的问题。同时跟踪推进，动态分析解决。全面推广标准化管理，各单位加强安全质量等标准化管理工作，夯实项目建设、监理、施工等参建单位安全和质量管控措施，加强检查监督，确保工程质量安全可靠。

4.4 多举措、多层次的安全设计，为加氢站安全运行保驾护航

氢气易燃易爆的特性，决定其工艺设计、安全条件的严苛性。这就要求该项目的设计单位、设备供应商及施工单位具有丰富的设计业绩和先进的安全管理理念，其主要创新措施如下。

（1）加氢站项目实行事故风险分析（ARA）、危害与可操作性分析（HAZOP）、爆炸危险评估等量化风险分析手段，保证加氢站安全运行。项目设计采取多级安全防护墙、隔音屏等设施降低危害和影响；工艺系统采用多层次、互相独立的可操作性分析，完善工艺、设备安全设计，严格管控不安全状态和行为。

（2）创新设计三级报警联锁管理，确保加氢站安全运行。即实行整站联锁、回路联锁、单体设备三级控制系统。第一级为整站紧急切断，自动（或手动）实现全站自动紧急切断（ESD）停车。触发后，报警并立即停止全站关键部位设备运行。第二级为设备保护切断联锁，单套设备自身运行异常、越限，执行设备级联锁关断。第三级为单套运行的压缩机自身运行异常、越限，执行机组单独停车。

（3）创新实行加氢站站区无人值守设计，打造不依赖人的本质安全系统。项目设计考虑最大化不依靠人力解决项目实际操作问题，以杜绝氢气泄漏为基本设计要求，即使出现漏气也应避免产生燃烧爆炸现象。在出现氢气泄漏并产生燃烧的极端情况时，也能实现定向排放。关键部位设置气体泄漏连锁报警、阀门内漏报警，零部件使用全生命周期检测记录，同时设计了误操作联锁功能。

（4）运用工业互联网搭建大数据系统平台，实现加氢站高效运行。该项目加氢站设备巡检系统采用复杂工业设备场景巡检系统。预先制定巡检规划，按计划任务安排并执行设备巡检。设备实时监控系统能够实时在线监测，具备曲线分析、事件回放、溯源等多种故障诊断。气瓶监控系统对整个充装过程实施监管，涵盖气瓶安全监管、充装合规性监管、过程监管、非正常充装预警功能。

5 济南市氢燃料电池公交车示范运行项目实施的环境效益与经济效益

5.1 氢能作为终极能源解决方案，环境效益突出

氢气在电堆内进行的是电化学反应，生成的是水，不产生任何污染物。该项目建成后，配套的60辆氢燃料电池公交车预计年运行里程为410万km。对标同类型燃油公交车，可减少排放大气污染物总量为41.3t，其中氮氧化物（如NO2）9.7t，二氧化硫11.3t，烟尘20.3t，将为济南市乃至山东省的“碳中和”贡献重要力量。

5.2 经济效益显著

项目实施前，济南市氢燃料公交车示范运行采用上游淄博市车用氢气，在章丘区中国重汽撬装站加注，公交车加氢价格高昂，2019年为109元/kg， 2020年略有下降仍高达68元/kg。本项目加氢站投用后，可同步采用济南明泉集团工业副产氢提纯为车用氢气作为母站气源（2021年2月已建成技改提升项目），通过济南公交第一加氢站给60辆氢燃料电池公交车加氢，经初步核算，明泉集团与济南公交集团通过战略合作方式，使公交车终端加氢价可大幅下降为35元/kg。仅此一项每年可节约氢燃料电池公交车运行燃料费用约1000万元。10.5m氢燃料电池公交车相比同类燃油公交车的燃料费将缩小到可承受区间，见附表。

附表 济南公交不同车型能源消耗对比表

随着氢燃料电池公交车示范运行规模不断扩大，未来氢能运行成本必将进一步下降，趋近于柴油车的运行成本。而氢能的环境效益独特优势必将凸显，进而带动整个产业的蓬勃发展，最终实现经济效益与环境效益双赢。

6 氢能示范项目带动效果显著

（1）本项目建成后将成为以济南为牵头城市申报国家氢能利用示范城市的重要基石。对落实济南1+5+4氢能城市群发展规划具有典型的示范带动 意义。

（2）本项目推动形成了济南市加氢站规划建设运营管理工作实施意见，对指导各市鼓励支持加氢站发展和氢能公交车示范运行，大胆先行先试，优化加氢站审批流程，具有带动示范意义。

（3）本项目具有良好的社会效益，建成后可以缓解济南市日益紧张的公共交通矛盾，调整绿色能源结构，减少车辆排放污染，改善空气质量，有效提升节能减排效果。

（4）项目建成后将优化我市氢能营商环境，促进精准招商，吸引氢能产业的整车研发、关键系统项目落户济南，超前布局加氢站点，起到氢能源汽车示范应用支撑引领作用。