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卡车用燃料电池系统技术发展现状

2020-03-17 22:59:57·  来源:电动学堂  
 
文章来源:《卡车用燃料电池系统技术发展现状》DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.05.036卡车用燃料电池系统是目前国内交付量最大的燃料电池产品,也是燃料电池系统
文章来源:《卡车用燃料电池系统技术发展现状》DOI:10.19353/j.cnki.dzsj.2020.05.036
 
卡车用燃料电池系统是目前国内交付量最大的燃料电池产品,也是燃料电池系统中最核心的研究领域。根据国内相关专利分布的研究可知,目前国内的卡车用燃料电池系统相关的专利仍集中在国外企业,其专利分布是以系统和其控制方法相关的研究最多,其次是燃料电池电极以及电堆相关的研究。随着国内对于燃料电池行业的关注度的提升,国内卡车用燃料电池的技术研究也不断发展,未来仍需在加大产品功率、提升产品可靠性和降低产品成本方向上加大开发力度,推动燃料电池行业的持续发展。
 
1 我国燃料电池卡车行业发展现状
 
目前每年的汽车尾气排放中,卡车的NOX以及PM排放量均高居榜首。2018年环保局数据统计数据显示,全部卡车的NOX和PM排放量占总排放量的84%和78%,特别是重卡,在这两个方向上均为最主要的污染源。因此,为完成2030年的减排指标,卡车行业的节能减排势在必行,纯电动重卡、燃料电池重卡、甲醇重卡这些细分市场逐步兴起。从2013年开始,新能源卡车市场销量逐渐上升。从2013年全国仅不足2000台的销量一直到2017年的年销量突破15万,但由于补贴政策的退坡,对于该领域也有一定影响,2018年市场销量下降至11万辆。
 
随着新能源卡车市场的不断升温,燃料电池卡车由于其节能环保、系统效率高、续驶里程长等优势,也成为了各企业关注的产品开发方向。从2016年开始燃料电池卡车行业的卡车销量呈上升趋势,但却并不稳定,特别2018年的交付量较低,整体行业受产业政策和地方政府驱动方案影响较大。其中主要的生产厂家为中通客车、东风汽车和上汽大通。
 
截至到2019年9月,已经有9家车企的34款氢燃料电池卡车进入了推荐目录,其中东风、中通的车型分布最多,分别占50%和14%,但这些车型大多未形成持续的销售订单,这与燃料电池系统技术更迭和国家补贴政策的变化均有关联度。而推荐目录中的车型主要以7-9吨的中卡为主,占所有车型的97%,而燃料电池系统的额定功率大多在30kW,占全部车型的73%。随着技术的不断进步以及补贴政策要求的提升,系统功率也在逐渐提升,从2018年开始已经逐渐向60kW系统提升( 图1)。
 
2 卡车用燃料电池系统技术发展现状
对卡车用燃料电池系统相关专利进行检索,其中主要的专利申请人为现代自动车株式会社和起亚自动车株式会社,两个申请人的专利占整个专利的数量的60%以上,对目前国内的卡车用燃料电池系统相关专利进行方向分析,其主要涉猎的技术领域如图2,其中燃料电池系统以及控制相关的专利数量最多,其次为燃料电池电极和电堆的相关研究。
 
在上述专利中选取典型的专利进行分析:
CN110190299A描述了一种丰田汽车公司开发的燃料电池系统及控制方法,其主要有燃料电池系统、燃料气体供给系统、氧化剂气体供给系统、电力控制系统和发电控制系统以及负载。其中最主要的结构设计即为燃料气体供给系统中的高压、中压以及低压燃料气体供气管路的设计。其中高压燃料气体管路中利用喷射器对燃料气体的压力与流量进行调节并向下游喷射。而在低压燃料气体管路中则采用回流泵将将反应气体重新送至燃料电池系统入口,以提升氢气利用率。
CN109904509A本描述了现代汽车开发的一种燃料电池堆及其组装方法。相对于传统的利用螺栓或者利用螺杆和螺母将紧固带组装至端板上的组装方式,本专利中所描述的组装方式是利用保护燃料电池的封闭件对燃料电池进行加压和密封,从而可减少组装程序和组装组件。
CN110492128A描述了现代汽车开发的一种燃料电池双极板的结构,主要是通过设计旁通流动路径,使得在空气压力突然增加或者长期停车时,可有不经过流体分配区的相对短的空气扩散路径,以避免燃料电池的膜电极频繁地暴露于空气的区域中,从而减少聚合物电解质膜的劣化现象。
CN1370334A描述了戈尔公司开发的一种膜电极技术,其中包括催化层、质子交换膜以及膜电极的基本组成、技术参数和制备工艺。其中催化层包含至少两种不同催化剂活性组分,其主要组分为铂和钌,其担载量范围在0.02-0.5mg/cm2之间。所选用的质子交换膜厚度范围为3-75μm,其透气度为大于10000秒的Gurley数。在制备过程中可采用多项手段(如物理气相沉积、化学气相沉积、热沉积、离子喷镀等)手段进行电极的制备。经多个实施例的证明,该膜电极有着良好的性能,特别是抗CO能力更为突出。
3 我国燃料电池卡车运行经济性分析目前燃料电池卡车的车型主要是中卡系列,一般用于城市内部的物流配送。其运行模式主要是以物流运营公司驱动,采用租赁方式满足不同客户的物流需求。由于目前示范运行量并不高,全国示范运行量在千台左右,因此还需要不断地验证产品的可靠性、运营模式的适应性以及全生命周期的经济性。目前仍缺乏轻卡和重卡的示范运营的基础数据。
为更好地分析燃料电池卡车的运行经济性,分别对燃料电池重卡、中卡以及轻卡三种车型进行了模型分析,基本假设如下:
(1)单座加氢站加注能力为500kg/8h,可对应50台重卡、100台中卡和150台轻卡,加氢站建设成本1000万元/座,氢气加注费用40元/kg,运营费10元/kg。
(2)燃料电池重卡、中卡和轻卡的售价分别为120万、80万和40万,对应的百公里耗氢量分别为4kg、3.5kg和2.5kg,燃料电池功率分别为80kW、40kW和20kW,按照国补与地补的比例为1:0.5,则对应的补助为60万元/台、60万元/台和18万元/台,全部燃料电池卡车的日运行的里程为300km。
 
(3)产品的生命周期为8年,车队规模为1000台。根据上述假设,对三种车型运行进行经济性分析,分析结果如图3。全生命周期内,重卡的综合成本最高,而轻卡则最低。这与目前传统行业的情况类似。但是这三种车型中,三种不同成本的比例却是一致,均为基础设施摊销比例最低,车辆购置成本居中,而运行成本最高。其中,运行成本包括加氢站的氢气费用和加氢站的运行维护费用等。这主要与目前我国氢气资源分布不均衡,氢气制取、配送以及加注相关产业链的发展与燃料电池汽车规模化需求不匹配造成的。本次假设是以1000辆车辆进行测算,并不算真正的规模化运行。经过新一轮的实际示范运行后,加氢站的运行模式将会得到新的一轮验证,同时也会更加完善,整体的运行成本也将会有大幅度的下降。预计整体运行规模超过万台以上,整体的运行成本将会有大规模下降,单台车全生命周期综合成本可基本达到与传统柴油车持平。
 
4 结论
 
目前,燃料电池卡车的运行已经进入了初级商业化阶段,但由于示范项目和商业化运行样本相对较少,因此发展仍存发展瓶颈,其中最主要的挑战是燃料电池的高功率化和运行成本的问题,特别在经济性分析时,与低成本、高功率的柴油动力卡车的对标使得燃料电池卡车的经济性较弱。但若综合考量污染物排放和环境因素,则燃料电池卡车的优势将比较明显。因此,持续提升产品的技术的成熟度和可靠性同时,多选择有产业基础的重点地区开展商业化示范运营,通过一定规模的使用促进技术、产业链成熟,加快提高燃料电池系统的性能水平,将成为未来发展的重点。
 
 
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