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1. 氫燃料電池應(yīng)用于重型載貨車的戰(zhàn)略意義
重型載貨車是全球交通運(yùn)輸領(lǐng)域的重要組成部分。2019年，我國重型載貨車銷售117.4萬輛；2020年 1~10月份累計銷量達(dá)到137.37萬輛。重型載貨車銷量增長的同時也帶來了能源消耗量大、污染物排放高的問題。據(jù)統(tǒng)計，石油消費(fèi)總量約有50%來自于交通運(yùn)輸業(yè) [1]；2019年重型載貨車NOx排放量超過汽車排放總量的 74%，PM排放量超過52.4% [2]。因此，在重型載貨車領(lǐng)域開展氫燃料電池的推廣和應(yīng)用，節(jié)能減排效果會更加顯著。
隨著國家能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、生態(tài)文明建設(shè)向縱深推進(jìn)，能源消費(fèi)的低碳化、清潔化已成為主流。氫氣無碳、來源廣、可再生，開展氫能在交通領(lǐng)域的規(guī)模化應(yīng)用是解決能源安全和環(huán)保壓力的重要舉措，也是實(shí)現(xiàn)2060年 “碳中和”目標(biāo)的有效手段。2020年11月國務(wù)院辦公廳發(fā)布《新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2021—2035年）》（以下簡稱《規(guī)劃》），《規(guī)劃》指出，力爭經(jīng)過15年的持續(xù)努力，燃料電池汽車要實(shí)現(xiàn)商業(yè)化應(yīng)用，氫燃料供給體系建設(shè)穩(wěn)步推進(jìn)，有效促進(jìn)節(jié)能減排水平和社會運(yùn)行效率的提升[3]。與純電動汽車相比，氫燃料電池汽車在燃料加注時間和續(xù)駛里程方面具有明顯優(yōu)勢，對于續(xù)駛里程長、動力性要求高、載重量大的重型載貨車，燃料電池是更具競爭優(yōu)勢的零排放技術(shù)方案。同乘用車相比，重型載貨車的運(yùn)行路線也相對固定，對加氫基礎(chǔ)設(shè)施布局的要求也相對更低。因此在燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展的初期，發(fā)展燃料電池重型載貨車的戰(zhàn)略引導(dǎo)作用高于乘用車。
2. 氫燃料電池重型載貨車發(fā)展的國內(nèi)外現(xiàn)狀
縱觀全球，氫燃料電池重型載貨車仍處于關(guān)鍵技術(shù)提升及小范圍示范應(yīng)用階段，應(yīng)用場景主要面向城市公交客車和物流運(yùn)輸車輛，在重型載貨車上的應(yīng)用仍沒有取得突破。2017年7月，中國重汽集團(tuán)有限公司推出了國內(nèi)首臺氫燃料電池重型載貨車，用于港口物料運(yùn)輸； 2019年11月，陜西重型汽車有限公司推出搭載濰柴氫燃料電池動力系統(tǒng)的49 t重型載貨車X5000，已在河鋼集團(tuán)邯鄲公司進(jìn)行示范運(yùn)營，取得顯著示范效果。2020年 1月，佛山市飛馳汽車科技有限公司研發(fā)完成氫燃料電池牽引車的整車制造，正在開展相關(guān)測試；2020年3月江鈴重型汽車有限公司交付10臺江鈴?fù)垰淠苤匦洼d貨車，并在上海展開示范運(yùn)營；上汽依維柯紅巖商用車有限公司首臺氫燃料電池重型載貨車計劃2020年年底在重慶兩江新區(qū)投入示范運(yùn)營。
日本、韓國、美國、歐盟等發(fā)達(dá)國家和地區(qū)在燃料電池方面的研究和產(chǎn)業(yè)化方面資金投入大，基礎(chǔ)和前沿研究深入，在耐久性、功率密度和成本等方面取得了顯著進(jìn)步，已形成明顯的技術(shù)領(lǐng)先優(yōu)勢。美國能源部（DOE）2019年12月發(fā)布燃料電池8級卡車發(fā)展目標(biāo)，2030年燃料電池系統(tǒng)壽命、峰值效率達(dá)到25 000 h 和68% [4]。沃爾沃、戴姆勒于2020年4月宣布將共同出資成立新的合資公司，研發(fā)、生產(chǎn)重型載貨車用燃料電池系統(tǒng)；現(xiàn)代汽車于2020年7月交付10臺XCIENT燃料電池重型載貨車，引領(lǐng)全球環(huán)保商用車市場實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)性轉(zhuǎn)型升級；豐田和日野（Hino）聯(lián)合研發(fā)燃料電池重型載貨車樣車，計劃2025年推出產(chǎn)品。
3. 氫燃料電池應(yīng)用于重型載貨車面臨的挑戰(zhàn)與關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)
重型載貨車作為重要的生產(chǎn)資料，終端用戶更加關(guān)注車輛的全生命周期成本（購置、燃料、持有等）、續(xù)駛里程、耐久性等關(guān)鍵指標(biāo)，表1顯示，氫燃料電池重型載貨車目前技術(shù)水平與美國能源部（DOE）目標(biāo)還具有較大差距[5]。氫燃料電池重型載貨車只有在上述幾個方面取得突破才會進(jìn)入消費(fèi)者的視野。
隨著燃料電池產(chǎn)業(yè)相關(guān)技術(shù)水平的不斷提高與基礎(chǔ)設(shè)施的逐步完善，從政府到企業(yè)不斷加大示范推廣力度和投入，同時傳統(tǒng)燃油車面臨著更加嚴(yán)苛的環(huán)保壓力，在未來一段時間內(nèi)通過在特定區(qū)域的示范與驗證，氫燃料電池重型載貨車在耐久性、成本、續(xù)駛里程與加注效率等方面將會有持續(xù)性突破。
表1?傳統(tǒng)重型載貨車與氫燃料電池重型載貨車對比及目標(biāo)[5]
1 mi = 1.6093 km.
3.1. 突破燃料電池大功率長壽命關(guān)鍵技術(shù)
相較于傳統(tǒng)重型載貨車，燃料電池重型載貨車動力系統(tǒng)功率至少達(dá)到300 kW，壽命達(dá)30 000 h，系統(tǒng)驅(qū)動效率達(dá)60%以上，車輛續(xù)駛里程不低于1000 km，才能滿足大范圍商業(yè)化應(yīng)用需求。據(jù)《新能源汽車推廣應(yīng)用推薦車型目錄》統(tǒng)計，當(dāng)前國內(nèi)燃料電池的功率等級范圍處于80~120 kW、壽命在8000~10 000 h之間，為盡快實(shí)現(xiàn)傳統(tǒng)能源替代目標(biāo)，需集中優(yōu)勢力量、舉國體制突破燃料電池大功率、高耐久等關(guān)鍵技術(shù)，攻克低溫快速啟動、壽命衰減機(jī)理等難題，提升燃料電池的環(huán)境適應(yīng)性，滿足燃料電池系統(tǒng)多工況運(yùn)行需求。
燃料電池重型載貨車行車工況復(fù)雜多變，為提升車輛在復(fù)雜工況下動力系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)特性，燃料電池重型載貨車推廣應(yīng)用初期技術(shù)路線仍以“氫電混合”為主，借助鋰電池系統(tǒng)的快速響應(yīng)特性與制動能量回收等優(yōu)點(diǎn)，通過開展“氫電混合”安全策略、能量分配及能量耦合、系統(tǒng)節(jié)氫節(jié)電等技術(shù)研究，提升燃料電池重型載貨車?yán)m(xù)航里程與駕乘體驗。
3.2. 推動產(chǎn)業(yè)鏈建設(shè)降低氫能重型載貨車全生命周期成本
從圖1所示重型載貨車全生命周期成本（TCO）對比圖來看[6]，燃料費(fèi)用、購買成本是燃料電池重型載貨車全生命周期成本的主要增量，也是降低成本的核心。
圖1. 重型載貨車成本對比圖[6]。
目前我國燃料電池產(chǎn)業(yè)正處于起步階段，核心材料和關(guān)鍵部件對國外產(chǎn)品依賴度較高；其次，現(xiàn)階段燃料電池汽車市場尚未形成，電堆以及系統(tǒng)零部件批量化程度低，制造成本居高不下，產(chǎn)品可靠性未經(jīng)過全面市場驗證，導(dǎo)致整車購置和后續(xù)持有成本高。
針對燃料費(fèi)用高的問題，結(jié)合我國氫能現(xiàn)狀及國家支持政策，充分利用現(xiàn)有化工副產(chǎn)氫、焦?fàn)t氣等資源，積極探索多元化的燃料電池汽車應(yīng)用場景，加大燃料電池汽車推廣數(shù)量，拉動氫氣需求量，目前部分地區(qū)氫氣價格為40~50元·kg?1；其次，發(fā)展可再生能源制氫等多種制氫方式，不斷擴(kuò)展氫氣來源，實(shí)現(xiàn)氫氣終端加注價格下降至30元·kg?1以下。
3.3. 突破先進(jìn)氫氣存儲技術(shù)，提升車輛續(xù)航里程
氫能重型載貨車具有高續(xù)航里程要求，但限于氫氣物理特性，目前較成熟的35 MPa（Ⅲ型瓶）高壓氣態(tài)車載儲氫方案的儲氫量基本在20~30 kg左右，車輛續(xù)航里程為150~300 km，僅可實(shí)現(xiàn)短距離場景運(yùn)行（圖2）。為提升氫氣儲量、滿足車輛長續(xù)航需求，需重點(diǎn)攻克儲氫壓力等級提升、先進(jìn)儲氫方案開發(fā)、整車儲氫系統(tǒng)布局優(yōu)化等技術(shù)，比如，目前國內(nèi)正在開發(fā)的高儲氫密度、高輕量化的70 MPa Ⅳ型儲氫瓶，可滿足城際等綜合行駛里程超過500 km的運(yùn)營場景需求；未來隨著液氫儲存技術(shù)或其他先進(jìn)儲氫技術(shù)的不斷成熟，重型載貨車?yán)m(xù)航里程可提升至千公里，徹底解決車輛續(xù)航焦慮問題，促進(jìn)氫能重型載貨車的市場應(yīng)用。
圖2. 燃料電池重型載貨車典型儲氫系統(tǒng)布置方案。
3.4. 制定高速大容量氫燃料加注協(xié)議，加快燃料加注速度
目前車用氫氣加注主要采用SAE J2601標(biāo)準(zhǔn)[7]規(guī)定的協(xié)議，最大加注速度上限為60 g·s?1，對于儲氫量大的氫能重型載貨車來講，加注時間過長，不能滿足用戶對運(yùn)營效率的需求，如尼古拉提出15 min內(nèi)實(shí)現(xiàn)80 kg 的加注目標(biāo)，美國DOE加注速度目標(biāo)為2030年實(shí)現(xiàn) 8 kg·min?1。隨著儲氫技術(shù)的不斷成熟和加注過程監(jiān)控手段日益完善，加注速度會顯著提升。
國內(nèi)相關(guān)企業(yè)正在積極開展快速加注技術(shù)研究，但尚未形成普適性標(biāo)準(zhǔn)。亟需通過技術(shù)提升，建立適合我國法規(guī)要求的快速加注標(biāo)準(zhǔn)協(xié)議（包括液氫或深冷的加注協(xié)議），將氫氣加注速度提升至175 g·s?1以上（10.5 kg·min?1），最大化滿足氫能重型載貨車的運(yùn)營效率需求。
4. 展望
燃料電池重型載貨車具備節(jié)能環(huán)保、續(xù)駛里程長、使用便捷等優(yōu)勢，是我國商用車轉(zhuǎn)型升級的重要發(fā)展方向，其大規(guī)模的市場應(yīng)用能夠為我國降低石油消耗、減少污染物排放等工作提供強(qiáng)力支撐，是我國實(shí)現(xiàn)2060年 “碳中和”目標(biāo)的重要組成部分。并且我國擁有豐富燃料電池重型載貨車應(yīng)用場景和市場需求，燃料電池重型載貨車將會在我國實(shí)現(xiàn)規(guī)?；茝V，具備非常光明的應(yīng)用前景。
目前我國正致力于氫能及燃料電池的核心技術(shù)攻關(guān)及產(chǎn)業(yè)化建設(shè)等工作，實(shí)施了氫燃料電池汽車示范城市群項目，通過示范應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)拉動效應(yīng)，能夠逐步攻克燃料電池核心技術(shù)、降低燃料電池汽車購置成本；同時建立大規(guī)模低成本的氫能供應(yīng)體系，完善氫能基礎(chǔ)設(shè)施布局，降低氫氣價格和提升氫氣加注便捷性。結(jié)合我國氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展現(xiàn)狀，預(yù)計燃料電池重型載貨車會在未來 5~10年內(nèi)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化運(yùn)營，逐步替代傳統(tǒng)燃油車市場。
本文來源于Engineering
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