发布机构: 山西省科学技术厅能源处 发布日期: 2021-11-10 10:56:05

张瑞亮:氢燃料电池商用车关键技术与发展趋势

汽车作为碳排放的大户,每燃烧1升汽油约排放2千克温室气体,有效控制汽车行业碳排放总量,对我国尽早达到碳排放峰值尤为重要。氢能是极为洁净的能源,凭借其零碳循环的优势,代表了能源优质化发展方向,也是实现双碳目标的有效路径目前已在部分领域实现了商业化应用。其中氢燃料电池汽车在排放污染、工作效率、续驶里程、燃料来源等方面都存在较大优势,因而发展氢燃料电池汽车是我国有效控制汽车行业碳排放总量,实现“碳达峰”和“碳中和”的重要途径。截至2020年底,我国氢燃料电池车累计行程超过1亿公里,以客车和物流车为主。

我国氢燃料电池汽车研发与推广重点是商用车,氢燃料电池商用车未来的发展方向必然是商用载货汽车。商用载货汽车对续驶里程、动力性具有较高要求,而氢燃料电池具有能量密度高、能量转化效率高的优势,并且氢气加注时间较短,远小于动力电池的充电时间,因此氢燃料电池重型商用车作为氢燃料电池技术发展公认的优选方案就成为实现“双碳”目标的重要方向。我国在2020年发布的《关于开展燃料电池汽车示范应用的通知》中也明确指出“重点推动燃料电池汽车在中远途、中重型商用车领域的产业化应用”。截至2021年7月底,工信部今年已经发布了6个批次《新能源汽车推广应用推荐车型目录》,其中共涉及34家车企的68款燃料电池商用汽车。基于此本文就碳达峰、碳中和背景下氢燃料电池商用车关键技术及氢燃料电池动力系统未来发展提出了自己的一些观点和建议:

一、关键技术

氢燃料电池商用车整车开发过程的关键技术有氢燃料电池动力系统设计与应用、氢燃料电池重卡动力电池状态监测与安全防护、氢燃料电池重卡氢耗分析及能量管理和整车综合热管理技术及工程化开发等。目前这些技术均取得了一定程度的重大突破,并且实现小批量的示范运营。如我省的江铃重汽和大运汽车早在2019年就率先取得氢燃料电池重卡生产许可。江铃重汽和太原理工大学联合研发的威龙4x2 FCV牵引车为国内首款重型氢燃料电池牵引车,于2019年获得产品公告,在国内处于领先水平,并于2019年底到2020年初完成10台小批量生产,目前正在上海开展示范运营。

  

(a)江铃重卡燃料汽车      (b)大运重卡燃料汽车

1 燃料电池重卡

然而这些关键技术的突破只是开始,氢燃料电池汽车从实验室走向工程应用,除了技术需要达到工业应用要求外,成本也应与其他类型商用车具有竞争力。但是由于氢燃料电池汽车在我国市场刚刚起步,技术与市场仍处于成长期,同时氢燃料电池汽车产业链条复杂,涉及氢气制取、储运、加注和应用环节,因此每一个环节面临着较大的降成本压力。可喜的是,从过去5年氢燃料电池的高速发展历程来看,各个环节的成本降幅不小,每千瓦电堆成本从1万元降至目前的2000元~3000元,燃料电池价格总体下降幅度超过60%。同时,我国已经实现了电堆与燃料电池系统90%的国产化率,一些辅助系统的性价比甚至明显超过国外同类产品。

二、未来发展趋势

1燃料电池商用载货汽车整车技术行业目标是在2030年实现整车电功率成本与混合动力汽车相当,商用车续航里程>800km,寿命>100万km,整车成本<50万,氢耗<10kg/100km,氢燃料成本<40元/kg。

2燃料电池商用载货汽车成本。从目前的发展趋势来看,整车成本的降低必须靠我国企业在燃料电池核心零部件实现国产化。运营成本的降低则必须依仗我国在基础设施建设方面的优越性,以目前的技术进步和基础设施建设速度,2025年燃料电池总成本降至每千瓦2000元的目标不难实现,到2030年氢燃料电池汽车价格可能与燃油车接近。

总之,结合目前氢燃料电池商用汽车行业发展趋势,作者与相关从业人员交流,一致认为到2025年会实现较高的技术成熟度,行业有望进入商业化时代;到2030年相关基础设施的修建会满足商用需求,产业链有可能实现真正的突破。

三、我省氢燃料电池汽车产业的机遇

当前,“双碳”目标为氢能产业发展带来新机遇,若以交通领域作为我省氢能发展的突破口。氢能产业链中的制氢、储氢、运氢、加氢,以及氢燃料电池和氢能汽车等任何一个细分环节都可以造就若干个千亿级规模的市场,若通过利用氢能实现工业领域深度脱碳,将对我省的减碳目标作出巨大贡献。

目前燃料电池应用重心逐渐向长跨距、大功率运输领域转移。因此,在目前已经取得的研究成果基础上,“十四五”期间,我省氢燃料电池汽车领域可继续在氢燃料电池动力系统及其在商用车示范应用方面加大投入和支持力度,在大功率高功率密度燃料电池发动机系统、多模块大功率燃料电池发动机系统乃至全功率燃料电池发动机系统设计、控制以及整车匹配控制等方面开展关键技术研发、整车安全防护和示范应用,满足商用车对大功率燃料汽车发动机系统的迫切需求,提高燃料电池发动机系统的经济性与耐久性,促进氢燃料电池汽车整个产业化发展,进而推动山西省经济向新兴行业转型跨越发展,进一步提升我省在国内氢燃料电池商用车方面的地位和水平。

  

供稿人:张瑞亮  太原理工大学教授


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