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氫燃料電池重卡技術(shù)發(fā)展分析
portant;"> 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(wèn)題的理想方案之一，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(guó)內(nèi)外現(xiàn)今都無(wú)批量出售，處于技術(shù)研發(fā)向商業(yè)化推廣的過(guò)渡階段，遇到的瓶頸問(wèn)題還未解決，有待進(jìn)一步研究。
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portant;"> 1 國(guó)內(nèi)外燃料電池重卡發(fā)展?fàn)顩r
portant;"> 1.1 國(guó)外燃料電池重卡發(fā)展
portant;"> 2016年，美國(guó)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(lái)將有多種配置，視不同行程搭載不同容量的儲(chǔ)氫罐和蓄電池。頂級(jí)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。
portant;"> 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(tái)電機(jī)提供電能。
1.2 國(guó)內(nèi)燃料電池重卡發(fā)展
為了大力發(fā)展氫能，國(guó)務(wù)院和國(guó)家發(fā)改委通過(guò)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)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(wú)污染、零排放
燃料電池是通過(guò)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(wú)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(guò)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(guò)程會(huì)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(guò)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%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(guò)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(wèn)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(duì)于氫燃料電池重卡來(lái)說(shuō)，燃料電池系統(tǒng)成本占比相對(duì)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%，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(wú)法滿足長(zhǎng)續(xù)駛里程需求，后續(xù)可通過(guò)液氫或固態(tài)儲(chǔ)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(jí)電容聯(lián)合驅(qū)動(dòng)及燃料電池與輔助電池和超級(jí)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(duì)該方式進(jìn)行詳細(xì)介紹。
燃料電池車上沒(méi)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(chǔ)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，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(duì)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。
圖1 氫燃料電池車工作原理示意圖
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(guò)雙極板后達(dá)到陽(yáng)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(guò)交換膜，繼續(xù)前進(jìn)到達(dá)陰極，而陰極的氧分子通過(guò)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。
圖2 燃料電池電堆工作原理圖
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(jí)電容器等。其中鋰離子和超級(jí)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(jí)電容器能量密度比較低，不適宜于長(zhǎng)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。
6 儲(chǔ)氫技術(shù)
燃料電池儲(chǔ)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(chǔ)氫方式的不同，可分為高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫、低溫液態(tài)儲(chǔ)氫、金屬氫化物儲(chǔ)氫及有機(jī)液體儲(chǔ)氫等。衡量?jī)?chǔ)氫技術(shù)的指標(biāo)為質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度和體積儲(chǔ)氫密度。
目前行業(yè)上主要采用高壓氣態(tài)儲(chǔ)氫方式將氣態(tài)氫儲(chǔ)存在氣瓶中，最大質(zhì)量?jī)?chǔ)氫密度為5.7%，體積儲(chǔ)氫密度為40.4g/L。該技術(shù)以35MPa儲(chǔ)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(chǔ)氫技術(shù)處于研發(fā)階段。
7 結(jié)語(yǔ)
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(guó)氫燃料電池重卡技術(shù)起步晚，但國(guó)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(guó)產(chǎn)化，同時(shí)各種儲(chǔ)氫技術(shù)正在不斷發(fā)展，相信不久的將來(lái)，“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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