北京燃料電池公交車進(jìn)入快速推廣階段

北京公共交通控股（集團(tuán)）有限公司

趙汝亮

　　摘要：目前北京地區(qū)的電動(dòng)公交車已形成產(chǎn)業(yè)規(guī)模，但從現(xiàn)有的運(yùn)營情況看，純電動(dòng)公交車存在續(xù)航里程短、動(dòng)力電池性能衰減快、充電時(shí)間長以及安全等問題。燃料電池汽車作為新能源汽車的重要分支，其在續(xù)航里程、加注時(shí)間、安全性和環(huán)保性等方面比純電動(dòng)汽車更具優(yōu)勢，是未來公交車電動(dòng)化的理想選擇。本文從燃料電池汽車特點(diǎn)、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)性能、加氫站布局、氫成本下降潛力以及北京地區(qū)燃料電池客車產(chǎn)業(yè)鏈等方面開展分析，認(rèn)為燃料電池公交車在北京的推廣條件基本成熟，后續(xù)將進(jìn)入快速推廣階段。未來，影響燃料電池公交車推廣的關(guān)鍵因素包括燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的耐久性、成本、氫基礎(chǔ)設(shè)施、法律法規(guī)和標(biāo)準(zhǔn)等，這些方面的改善或突破都將助力燃料電池公交車深層次的產(chǎn)業(yè)化。隨著燃料電池公交車的推廣，公交系統(tǒng)將加速擺脫傳統(tǒng)石化能源，這對于發(fā)展氫能交通體系、優(yōu)化公交能源結(jié)構(gòu)和緩解城市交通污染有著重要的意義，同時(shí)對我國燃料電池汽車甚至氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。

　　關(guān)鍵詞：新能源汽車，純電動(dòng)公交車，燃料電池公交車，氫能，產(chǎn)業(yè)推廣

　　提 綱

　　一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　1、國外進(jìn)展；

　　2、國內(nèi)進(jìn)展

　　二、燃料電池公交車概況

　　1、燃料電池公交車技術(shù)；

　　2、氫源供應(yīng)；

　　3、燃料電池公交車的優(yōu)點(diǎn)

　　三、北京燃料電池公交車推廣的可行性

　　1、技術(shù)可行性；

　　2、加氫站建設(shè)可行性；

　　3、經(jīng)濟(jì)可行性；

　　4、北京氫燃料電池客車產(chǎn)業(yè)鏈初步形成

　　結(jié)  論

　　參考文獻(xiàn)

　　緒  論

　　能源緊缺和環(huán)境污染是當(dāng)代人類生存和發(fā)展所面臨的兩大挑戰(zhàn)。汽車產(chǎn)業(yè)，作為衡量一個(gè)國家綜合實(shí)力和發(fā)達(dá)程度的重要標(biāo)志，消耗大量能源的同時(shí)排放大量污染物。據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國汽車油耗約占整個(gè)石油消耗的1/3，預(yù)計(jì)到2020年上升到57%，每年新增石油消費(fèi)量的70%以上均被新增的汽車所消費(fèi)；汽車碳排量約占總排放的17%，其中近一半由中大型車輛排放。尋找和發(fā)展新的汽車清潔能源，將對全球汽車和能源產(chǎn)業(yè)格局以及經(jīng)濟(jì)社會(huì)發(fā)展產(chǎn)生重大深遠(yuǎn)的影響。

　　燃料電池汽車以氫氣和氧氣電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的電力為驅(qū)動(dòng)源，產(chǎn)物僅為水，具有環(huán)保性能佳、轉(zhuǎn)化效率高、加注時(shí)間短和續(xù)航里程長等優(yōu)勢，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要方向。事實(shí)上，燃料電池汽車已成為全球汽車與能源產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要突破口，是應(yīng)對全球能源短缺和環(huán)境污染的重要戰(zhàn)略舉措。

　　公共交通是城市建設(shè)優(yōu)先發(fā)展的領(lǐng)域，預(yù)計(jì)到2020年，我國主要城市的公共交通出行分擔(dān)率將超過60%，北京則已達(dá)到72%。作為公共交通的重要組成，城市公交車肩負(fù)著重要的社會(huì)責(zé)任，綠色是其責(zé)任擔(dān)當(dāng)?shù)囊淮篌w現(xiàn)，主要包括低能耗、低污染和低噪音等方面。在《北京市藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)2018年行動(dòng)計(jì)劃》中，將公交車列為重點(diǎn)在線排放監(jiān)控對象。

　　目前，新能源汽車（主要為電動(dòng)汽車）在城市公交領(lǐng)域得到了大面積的推廣，以期為城市交通的節(jié)能減排做出貢獻(xiàn)。2017年底，北京新能源公交車的占比已達(dá)到30%左右，根據(jù)國家發(fā)改委、中宣部和科技部等十部委聯(lián)合制定的《關(guān)于促進(jìn)綠色消費(fèi)的指導(dǎo)意見》，2020年后公務(wù)車及公交系統(tǒng)基本實(shí)現(xiàn)全面電動(dòng)化。但是，從目前純電動(dòng)公交車運(yùn)營情況看，存在續(xù)航里程短、動(dòng)力電池性能下降以及安全等問題，購置成本較燃油公交車高出1/3。燃料電池汽車作為新能源汽車的重要分支，目前尚未規(guī)模化推廣，但其在續(xù)航里程、加注時(shí)間和環(huán)保性等方面比純電動(dòng)汽車更具優(yōu)勢，是未來公交車電動(dòng)化的理想選擇。在城市公交領(lǐng)域發(fā)展并推廣燃料電池公交車，可加速公交車擺脫傳統(tǒng)石化能源，對于發(fā)展氫能交通體系、優(yōu)化公交能源結(jié)構(gòu)和緩解城市交通污染有著重要的意義，同時(shí)對我國燃料電池汽車甚至氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。

　　本文將從燃料電池汽車特點(diǎn)、燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)性能、加氫站布局、氫成本下降潛力以及北京地區(qū)燃料電池客車產(chǎn)業(yè)鏈等多個(gè)方面展開分析，認(rèn)為現(xiàn)階段燃料電池公交車在北京的推廣條件基本成熟，后續(xù)將進(jìn)入快速推廣階段。

　　一、國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

　　新能源汽車種類較多，包括純電動(dòng)汽車、增程式電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車、燃料電池電動(dòng)汽車、氫發(fā)動(dòng)機(jī)汽車及其他新能源汽車等。目前，主要的研究方向聚焦在純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池汽車等。

　　國際上，除了美國發(fā)展有特斯拉純電動(dòng)汽車外，其他國家基本沒有發(fā)展純電動(dòng)汽車，日本等國從柴油汽車、混合動(dòng)力汽車直接跳到燃料電池汽車。我國電動(dòng)汽車產(chǎn)業(yè)較為發(fā)達(dá)，2001年啟動(dòng)了“863”計(jì)劃電動(dòng)汽車重大專項(xiàng)，涉及的電動(dòng)汽車包括3類：純電動(dòng)、混合動(dòng)力和燃料電池汽車（稱為“三縱”），同時(shí)把多能源動(dòng)力總成控制、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和動(dòng)力蓄電池作為“三橫”，建立“三橫三縱”的開發(fā)布局[1]。2017年，電動(dòng)汽車全年銷量達(dá)77.7萬輛，占新車銷售的比例不足以3%。根據(jù)《節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》，到2020年，純電動(dòng)汽車和插電式混合動(dòng)力汽車生產(chǎn)能力達(dá)200萬輛、累計(jì)產(chǎn)銷量超過500萬輛，同時(shí)，我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)正從數(shù)量增長向質(zhì)量提升過渡，從政策驅(qū)動(dòng)向政策市場雙極驅(qū)動(dòng)過渡。

　　下面，重點(diǎn)介紹燃料電池汽車的發(fā)展情況。

　　1、國外進(jìn)展

　　燃料電池汽車在國外一直很受重視。美國能源部（DOE）2016年在燃料電池和氫能上的研發(fā)投入分別為3500萬和4100萬美元，計(jì)劃到2023年建成超過100個(gè)加氫站，按照美國氫能技術(shù)路線圖，到2040年美國將進(jìn)入“氫能經(jīng)濟(jì)”時(shí)代。加拿大為配合2010年溫哥華冬奧會(huì)建設(shè)了世界上第一條包括7座加氫站的氫能高速公路，該項(xiàng)目投資2億加幣；此外，在多倫多地區(qū)實(shí)施了以燃料電池為社區(qū)能量來源的“氫能村”項(xiàng)目。歐洲各國花費(fèi)大量精力布局燃料電池汽車和加氫站建設(shè)，德國作為氫能燃料電池的領(lǐng)導(dǎo)者，計(jì)劃到2030年生產(chǎn)200萬輛燃料電池汽車；挪威、丹麥和北歐城市擁有豐富的可再生能源，可用于制氫，正在積極規(guī)劃加氫站建設(shè)，以供燃料電池汽車用；法國近些年開始重視燃料電池汽車，其“氫計(jì)劃”顯示，到2028年建成400～1000個(gè)加氫站，擁有2～5萬輛輕型商用車和800～2000輛重型車；英國也推出了燃油車的禁售目錄。亞洲方面，日本提出，到2030年，政府對氫產(chǎn)業(yè)的投資達(dá)1萬億日元，加氫站數(shù)量到2020和2050年分別為160座和320座；韓國計(jì)劃到2025年，建設(shè)200個(gè)位于高速公路的加氫站，到2030年，燃料電池汽車數(shù)量達(dá)63萬輛，占新車總數(shù)的10%。

　　目前，加拿大的巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司已經(jīng)成為質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的全球領(lǐng)導(dǎo)者，是世界上最大的集設(shè)計(jì)、開發(fā)、生產(chǎn)、銷售和服務(wù)為一體的質(zhì)子交換膜燃料電池企業(yè)。Hydrogenics Corporation也是全球領(lǐng)先的氫氣發(fā)電技術(shù)和氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)商和制造商。北美地區(qū)大約有2萬輛燃料電池叉車在運(yùn)營，Plug Power是叉車設(shè)備的主要供應(yīng)商，占據(jù)了95%以上的市場份額。北美地區(qū)運(yùn)營的燃料電池乘用車約3500輛，主要分布在美國加州。

　　法國阿爾斯通公司于2016年推出了首款氫燃料電池客運(yùn)列車（iLints列車），這款列車將首先在德國的薩克森州投入運(yùn)營，目前德國交通部已經(jīng)訂購了14輛iLints列車。2017年，德國政府組織本國汽車行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)企業(yè)成立了一個(gè)6000萬歐元、為期三年的聯(lián)盟（AutoStack-Industrie），旨在2020年之前為德國和歐洲燃料電池汽車的商業(yè)引進(jìn)提供技術(shù)、經(jīng)濟(jì)和科技支持。該聯(lián)盟由寶馬領(lǐng)導(dǎo)，還包括戴姆勒、德納、福特研究和創(chuàng)新中心、科德寶高性能材料、Greenerity、NuCellSys、燃料電池公司PowerCell Sweden AB、德國優(yōu)美科、大眾集團(tuán)和德國巴登符騰堡州太陽能和氫能研究中心。

　　日本兩大汽車企業(yè)巨頭——豐田和本田已經(jīng)推出了氫燃料電池汽車并已量產(chǎn)。豐田氫燃料電池汽車Mirai于2014年底正式在日本量產(chǎn)發(fā)售，其燃料電池功率為114kW，功率密度為3.1kW/L，最大續(xù)航里程接近500公里，加滿燃料的時(shí)間僅為3分鐘。Mirai價(jià)格為723.6萬日元(約37.5萬人民幣)，享受補(bǔ)貼后，消費(fèi)者實(shí)際負(fù)擔(dān)的金額在520萬日元左右(約26.9萬人民幣)，截至2017年底實(shí)際銷量為2322輛。本田燃料電池汽車Clarity，2016年3月開啟租售業(yè)務(wù)，其燃料電池功率為103kW，功率密度為3.1kw/L，續(xù)航里程可以達(dá)到750km，其在美國的售價(jià)約6萬美元（人民幣約37.9萬），目前約售出200輛。

　　韓國研發(fā)生產(chǎn)燃料電池汽車的代表企業(yè)是現(xiàn)代（Hyundai），Hyundai從2002年開始研發(fā)燃料電池汽車，2005年采用巴拉德的電堆組裝32 輛SUV，2006年推出自主研發(fā)的第一代電堆，組裝30臺SUV、4輛大客車，并進(jìn)行示范運(yùn)行；2009-2012年間，開發(fā)出第2代電堆，裝配100臺SUV，開始在國內(nèi)進(jìn)行示范和測試，并對燃料電池電堆性能進(jìn)行改進(jìn)；2012年，推出第3 代燃料電池SUV 和客車并開始全球示范；2013年，韓國現(xiàn)代宣布將提前2年開展千輛級別的燃料電池SUV（現(xiàn)代ix35）生產(chǎn)，在全球率先進(jìn)入燃料電池千輛級別的小規(guī)模生產(chǎn)階段。該SUV采用100kW燃料電池， 100kW電機(jī)，70MPa的氫瓶，氫瓶可以儲(chǔ)存5.6kg 氫氣，最新歐洲行駛循環(huán)工況續(xù)駛里程588km，最高車速160km/h?，F(xiàn)代燃料電池汽車推廣的策略之一就是汽車共享，在巴黎與STEP、林德公司合作計(jì)劃到2020年推廣100輛燃料電池出租，車型主要為ix35 fuel cell。同時(shí)，計(jì)劃在德國投入50輛ix35 fuel cell用作汽車共享。另外，韓國政府于2016年在蔚山市投放10輛ix35 fuel cell汽車用作出租車，并在2017年增加5輛，韓國當(dāng)?shù)氐娜蟪鲎廛嚬矩?fù)責(zé)實(shí)際運(yùn)營，現(xiàn)代公司負(fù)責(zé)售后服務(wù)?，F(xiàn)代在2018年消費(fèi)電子展（CES）上推出了Nexo燃料電池汽車，續(xù)航里程達(dá)到600公里，具有與傳統(tǒng)燃料汽車相同的續(xù)航能力。

　　2、國內(nèi)進(jìn)展

　　我國一直高度重視氫能與燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。近年來，國家相關(guān)部委密集出臺政策，大力支持燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展。《國家創(chuàng)新驅(qū)動(dòng)發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《中國制造2025》、《汽車產(chǎn)業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》、《“十三五”交通領(lǐng)域科技創(chuàng)新專項(xiàng)規(guī)劃》等紛紛將發(fā)展氫能與燃料電池技術(shù)列為重點(diǎn)任務(wù)，將燃料電池汽車列為重點(diǎn)支持領(lǐng)域?！豆?jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》中明確提出：2020年實(shí)現(xiàn)1萬輛級規(guī)模在特定地區(qū)公共服務(wù)用車領(lǐng)域的示范應(yīng)用，建成100座加氫站；2025年實(shí)現(xiàn)5萬輛規(guī)模的應(yīng)用，建成300座加氫站；2030年實(shí)現(xiàn)100萬輛燃料電池汽車的商業(yè)化應(yīng)用，建成1000座加氫站。

　　我國具備一定的燃料電池汽車研發(fā)基礎(chǔ)。在國家科研計(jì)劃和示范項(xiàng)目的持續(xù)支持下，國內(nèi)已初步掌握關(guān)鍵材料、部件及動(dòng)力系統(tǒng)的部分關(guān)鍵技術(shù)，基本建立了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的車用燃料電池動(dòng)力技術(shù)平臺，累計(jì)開發(fā)數(shù)百輛燃料電池汽車，結(jié)合奧運(yùn)會(huì)、世博會(huì)、亞運(yùn)會(huì)、大運(yùn)會(huì)和UNDP等示范項(xiàng)目，開展了一定規(guī)模的示范運(yùn)行。

　　2008年4月，福田發(fā)布了與清華大學(xué)聯(lián)合研制的福田歐輝燃料電池客車，3輛燃料電池城市客車圓滿完成了包括2008年北京奧運(yùn)示范在內(nèi)的為期1年的北京公交商業(yè)化示范運(yùn)行，累計(jì)運(yùn)行超過6萬公里。2010年上海世博會(huì)期間，燃料電池汽車共行駛91萬公里，載客183萬人次，其中接待VIP 6600人次。燃料電池公交客車單車每百公里耗氫9.8 kg。2010年，我國研制的燃料電池城市客車走出國門，在新加坡完成了揭幕和試運(yùn)行儀式，并作為首屆青年奧運(yùn)會(huì)官方新能源示范車服務(wù)青奧會(huì)。2016年，在全球環(huán)境基金（GEF）和聯(lián)合國開發(fā)計(jì)劃署（UNDP）支持下，我國啟動(dòng)“促進(jìn)中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項(xiàng)目三期示范運(yùn)行，北京示范運(yùn)行15輛燃料電池汽車（包括10輛客車和5輛物流卡車）。2017年1月，北京市科委5輛燃料電池公交車獲得國內(nèi)第一批正式上牌的燃料電池客車，并在公交384線路開始運(yùn)行，運(yùn)行期間經(jīng)歷了1月份的-15℃低溫環(huán)境及6月份的37℃高溫環(huán)境考驗(yàn)。近期，搭載億華通燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的60輛氫燃料電池客車已交付終端客戶，將用于北京市部分企事業(yè)單位班車及擺渡車；74輛燃料電池客車將用于張家口公交批量示范運(yùn)營，為2022年北京冬奧會(huì)的綠色交通作準(zhǔn)備。

　　二、燃料電池公交車概況

　　1、燃料電池公交車技術(shù)

　　燃料電池自1893年發(fā)明至今，已有多種類型，按電解質(zhì)來區(qū)分[2]，可分為六類。按目前在汽車領(lǐng)域使用最廣泛的是質(zhì)子交換膜燃料電池。

　　（1）燃料電池反應(yīng)機(jī)理

　　氫燃料電池是指通過氫與氧發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)來產(chǎn)生電能的裝置。

圖2-1是質(zhì)子交換膜燃料電池的工作原理示意

圖2-1 燃料電池工作原理示意

　　（2）燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)

　　燃料電池汽車動(dòng)力配置方案有純?nèi)剂想姵亍⑷剂想姵丶有铍姵?、燃料電池加超級電容、燃料電池加蓄電池加超級電容、燃料電池加飛輪以及插電式等六類。其中，第二種方案是主流，也是未來發(fā)展趨勢，目前量產(chǎn)的現(xiàn)代ix35、豐田Mirai和本田Clarity均采用此方案。

　　針對燃料電池電壓電流輸出特性及動(dòng)態(tài)響應(yīng)滯后的特點(diǎn)，基于城市公交大客車運(yùn)行時(shí)，驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)功率波動(dòng)頻率高、幅度大以及長續(xù)駛里程的總驅(qū)動(dòng)與制動(dòng)能量較大等工況特點(diǎn)和難點(diǎn)，以清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為主的氫燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)研發(fā)團(tuán)隊(duì)率先提出并研制成功燃料電池加動(dòng)力電池的電-電混合動(dòng)力系統(tǒng)。

　　燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動(dòng)力源、DC/DC變換器等部件。燃料電池系統(tǒng)作為車輛常規(guī)運(yùn)行時(shí)的主要?jiǎng)恿υ?，為車輛的常規(guī)運(yùn)行提供所需能量；輔助動(dòng)力源為蓄電池或超級電容器，提供車輛在啟動(dòng)、加速、爬坡等特殊工況下所需功率。如此，既能保證車輛在不同工況下所需的能量，同時(shí)能夠減小對燃料電池的沖擊，提高燃料電池的壽命。

　　通常，根據(jù)燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)動(dòng)力源裝置的搭配方案以及它們與電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)之間的連接方式來定義系統(tǒng)構(gòu)型。根據(jù)燃料電池系統(tǒng)是否與電機(jī)控制器直接相連分為直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)和間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。

　?、僦苯尤剂想姵鼗旌蟿?dòng)力系統(tǒng)

　　圖2-2為直接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)直接與電機(jī)控制器相連，同時(shí)，使用蓄電池或者超級電容作為輔助動(dòng)力裝置，并且蓄電池組（超級電容）和動(dòng)力系統(tǒng)的直流母線之間使用雙向DC/DC變換器。

　?、陂g接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)

　　圖2-3為間接燃料電池混合動(dòng)力系統(tǒng)。在燃料電池系統(tǒng)前面使用單向DC/DC變換器來對燃料電池系統(tǒng)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行電壓匹配，并對燃料電池系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行控制，輔助動(dòng)力源裝置選用蓄電池組或超級電容，并直接與直流母線相連接。

　　燃料電池直接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，為滿足車輛良好的動(dòng)力性，燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)（FCE）必須具有良好的動(dòng)態(tài)特性和V-I特性，同時(shí)，為避免FCE瞬時(shí)大功率放電導(dǎo)致的母線電壓過低而損壞燃料電池堆，F(xiàn)CE的額定功率取值也相對偏高。

　　燃料電池間接驅(qū)動(dòng)構(gòu)型中，由于DC/DC變換器的作用，實(shí)現(xiàn)了FCE與儲(chǔ)能系統(tǒng)（ESS）的功率耦合和電壓隔離，有利于對燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)優(yōu)化調(diào)節(jié)，在目前燃料電池的技術(shù)水平下，是一種經(jīng)濟(jì)實(shí)用的混合動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型。

　　（3）燃料電池公交車系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

　　燃料電池公交車以燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)為動(dòng)力源，其駕駛習(xí)慣與燃油車類似，但構(gòu)造與傳統(tǒng)燃油車和電動(dòng)汽車存在一定的差異。圖2-4是國內(nèi)燃料電池公交客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。氫瓶置于車頂，燃料電池電堆及電機(jī)等均置于車后。通常，國內(nèi)12米燃料電池公交車，采用不低于60kW的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和功率型動(dòng)力電池相結(jié)合的氫-電混合動(dòng)力系統(tǒng)，配有8～10個(gè)35MPa氫瓶系統(tǒng)，續(xù)航里程超過300km。

圖2-4國內(nèi)燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

　　2、氫源供應(yīng)

　　氫源是燃料電池公交車正常運(yùn)營的保障，相關(guān)產(chǎn)業(yè)包括制、儲(chǔ)、運(yùn)、加等方面，其產(chǎn)業(yè)成熟度和價(jià)格直接影響燃料電池汽車甚至氫能產(chǎn)業(yè)的商業(yè)化推廣。目前，氫氣的市場價(jià)格較高，一定程度上不利于燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)推廣，降低氫氣成本是未來主要研究發(fā)展的方向。

　　（1）制氫方式

　　目前常用的制氫方式包括化石燃料制氫、含氫尾氣/副產(chǎn)氫氣回收利用、高溫分解制氫和電解水制氫。化石燃料制氫包括石油、天然氣蒸汽重整制氫和水煤氣法制氫等。根據(jù)統(tǒng)計(jì)，我國現(xiàn)有氫氣主要來自化石燃料制氫，其中煤炭制氫占20 %，天然氣制氫占46 %，石油制氫占30 %，電解制氫占3 %[3]。工業(yè)副產(chǎn)氫制氫是指利用含氫工業(yè)尾氣為原料制氫，工業(yè)尾氣主要包括合成氨產(chǎn)生的尾氣、煉油廠副產(chǎn)尾氣、氯堿工業(yè)副產(chǎn)氣、煤化工焦?fàn)t煤氣等。高溫分解制氫分甲醇裂解制氫和氨分解制氫。水電解制氫通過提供電能使水分解制得氫氣，，該過程的效率一般在75%-85%左右，其工藝過程簡單無污染，但因電耗大而成本較高。還有一些其他的制氫技術(shù)，如生物質(zhì)氣化制氫、光解水制氫等，尚未產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。從低碳環(huán)保的角度看，以新能源為基礎(chǔ)的電解水制氫是未來的發(fā)展目標(biāo)。

　　（2）儲(chǔ)運(yùn)方式

　　由于氫在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為空氣的1/14，所以提高氫的儲(chǔ)運(yùn)效率是產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵。目前，儲(chǔ)運(yùn)技術(shù)主要包括高壓氣態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、低溫液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)、固體儲(chǔ)運(yùn)和有機(jī)液態(tài)儲(chǔ)運(yùn)等，表2-1列出了各種儲(chǔ)氫技術(shù)優(yōu)缺點(diǎn)。

表2-1 不同儲(chǔ)運(yùn)方法的質(zhì)量儲(chǔ)氫密度和優(yōu)缺點(diǎn)

　　（3）加氫站

　　加氫站之于燃料電池汽車，猶如加油站之于傳統(tǒng)燃油汽車、充電站之于純電動(dòng)汽車，是支撐燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展必不可少的基石。燃料電池汽車的發(fā)展和商業(yè)化離不開加氫站基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。

　　通常，氫氣加注是通過將不同來源的氫氣經(jīng)壓縮機(jī)增壓，然后儲(chǔ)存在站內(nèi)的高壓儲(chǔ)罐中，再通過氫氣加氣機(jī)為氫燃料電池汽車加注氫氣，其加注流程如圖2-5所示。目前加氫站根據(jù)是否現(xiàn)場制氫，分為外供氫加氫站和站內(nèi)制氫加氫站兩種。

圖2-5 加氫站工作流程

　　　3、燃料電池公交車的優(yōu)點(diǎn)

　　（1）綠色環(huán)保

　　由于燃料電池把化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化成電能，氫氣在燃料電池中轉(zhuǎn)化成水，因此，氫氣燃料電池汽車的唯一排放是水蒸汽，在目前中國城市霧霾嚴(yán)重和全球CO2排放超高（汽油、柴油和天然氣車都排放CO2）、全球變暖的情況下，氫氣燃料電池汽車可以保護(hù)環(huán)境，帶來極大的社會(huì)效益。

　　據(jù)調(diào)查，京津冀地區(qū)柴油卡車（輕、中、重型）保有量約為204萬輛。經(jīng)過測算，這些車輛全年排放總污染物約648萬噸，其中一氧化碳517萬噸，碳?xì)浠衔?4萬噸，氮氧化物93萬噸，PM2.5顆粒4萬噸。如果改為燃料電池卡車，用氫氣驅(qū)動(dòng)則所有排放全部為零。

　　因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染，并且對城市具有增濕、凈化的作用。

　　（2）加氫時(shí)間短、續(xù)航里程長

　　燃料電池汽車加氫時(shí)間短，一般為3~5min，續(xù)航里程可達(dá)到500km以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了傳統(tǒng)純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程。

　　（3）安全可靠

　　氫氣化學(xué)性質(zhì)活波，使得氫氣在使用過程中存在一定的安全隱患。另外，由于對氫氣使用的經(jīng)驗(yàn)不夠豐富，駕駛員在使用氫燃料電池汽車時(shí)，心理上也存在著較大的疑慮。因此，安全性問題在燃料電池公交車推廣中關(guān)注度較高。

　　國內(nèi)外對燃料電池汽車制定了很多標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范，其中65 %以上的內(nèi)容是針對安全性的規(guī)定。燃料電池汽車的氫安全性，主要是指燃料電池汽車運(yùn)行過程中車載氫系統(tǒng)的安全，主要包括高壓供氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的安全性等。目前，為了保證車載氫系統(tǒng)的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄露監(jiān)測、靜電防護(hù)、防爆、阻燃等方面進(jìn)行預(yù)防和控制[4]。

　　的確，氫具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題[5]。但這些危害的出現(xiàn)都是在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。

　　首先，氫氣爆炸極限是體積密度達(dá)到4.0 %～75 %，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0 %～75 %之間時(shí)，遇火源就會(huì)爆炸，而當(dāng)氫氣濃度小于4.0 %或大于75 %時(shí)，即使遇到火源，也不會(huì)爆炸。

　　其次，氫的密度僅為空氣的7 %（一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓、0 ℃下，密度為0.0899 g/L），與汽油、丙烷和天然氣相比，具有更大的浮力（快速上升)、擴(kuò)散性（橫向移動(dòng)）和快速揮發(fā)性。流通空氣中很難聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會(huì)迅速擴(kuò)散，特別是在開放環(huán)境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學(xué)的Swain博士做過一個(gè)著名的試驗(yàn)[6]，如圖2-6所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進(jìn)行泄漏點(diǎn)火試驗(yàn)。點(diǎn)火3秒后，高壓氫氣產(chǎn)生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火；到1分鐘時(shí)，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質(zhì)，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。浙江大學(xué)的張俊峰[7]針對小型燃料電池車用低壓儲(chǔ)氫裝置安全性開展試驗(yàn)，對裝置全生命周期的危險(xiǎn)因素進(jìn)行識別和分析，建立了小型燃料電池車用低壓儲(chǔ)氫裝置的系統(tǒng)安全試驗(yàn)方法；同時(shí)開展了換氣站泄露爆炸的模擬研究，對爆炸后果進(jìn)行定量評估，探究了不同低壓儲(chǔ)氫裝置數(shù)目、放置位置、泄壓板設(shè)置及環(huán)境風(fēng)速等對爆炸強(qiáng)度、沖擊波及火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊懸?guī)律。

　　在氫瓶槍擊實(shí)驗(yàn)中，用子彈打穿35MPa氫瓶，通過45s連續(xù)照片（見圖2-7）發(fā)現(xiàn)：當(dāng)氫瓶被子彈擊穿時(shí)沒有發(fā)生氫氣爆炸；當(dāng)子彈擊穿氫瓶時(shí)氫氣是向上噴射；氫氣噴射的速度極快，一瓶氫氣，一個(gè)子彈孔45秒就排放完成。

圖2-7 氫瓶槍擊實(shí)驗(yàn)

　　圖2-8是氫瓶火燒的實(shí)驗(yàn)，將氫瓶進(jìn)行火燒，氫氣燃燒前一秒火焰最大，一秒之后火焰驟降，基本5-15秒后火焰熄滅，最重要的一點(diǎn)，即便是火燒氫瓶，氫瓶依舊沒有出現(xiàn)爆炸。

圖2-8 氫瓶火燒實(shí)驗(yàn)

　　由此可見，只要合理預(yù)防控制氫氣的不利安全因素，就會(huì)避免產(chǎn)生安全危害。事實(shí)上，氫工業(yè)長期以來的安全運(yùn)行以及氫能在航空航天等領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，都足以證明這一點(diǎn)。

　　三、北京燃料電池公交車推廣的可行性

　　北京地區(qū)是國內(nèi)燃料電池汽車示范運(yùn)營的先行者，形成了較深厚的運(yùn)營經(jīng)驗(yàn)和技術(shù)積累。目前，北京的燃料電池公交車正進(jìn)入快速推廣的階段，對燃料電池客車性能、氫基礎(chǔ)設(shè)施、運(yùn)行成本和區(qū)域產(chǎn)業(yè)布局等的要求也越來越高，需要這幾個(gè)方面不斷取得改進(jìn)和突破。

　　1、技術(shù)可行性

　　燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自發(fā)明至今，其技術(shù)不斷進(jìn)步，各項(xiàng)性能不斷優(yōu)化，為燃料電池公交車的大規(guī)模推廣提供有力保障。目前，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的平均壽命≥10000h，最高效率（含DC/DC）≥55%，防護(hù)等級IP67；燃料電池公交車的平均無故障里程≥5000km，最大爬坡度≥25%，百公里氫耗≤8kg，低溫快速啟動(dòng)時(shí)間≤10min，工作環(huán)境溫度-30℃～60℃，儲(chǔ)存溫度-40℃～60℃，運(yùn)行海拔0～1600m。

　　2、加氫站建設(shè)可行性

　　目前，由于氫屬于危化品，北京市內(nèi)管控要求非常嚴(yán)格，相關(guān)加氫站的審批困難，制約了北京地區(qū)氫能與燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化推廣。由于燃料電池公交車的續(xù)航里程長且穩(wěn)定，加氫站完全可以在審批難度相對較低的遠(yuǎn)郊地區(qū)布局，較短的加氫時(shí)間和較長的續(xù)航里程，完全可以實(shí)現(xiàn)燃料電池公交車“遠(yuǎn)郊加氫、市-郊中長途運(yùn)行”的方案。這點(diǎn)與純電動(dòng)公交車存在本質(zhì)的差別，后者限于續(xù)航里程，對充電樁布局網(wǎng)絡(luò)的依賴性較大。另一方面，國內(nèi)已出臺相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)支持加氫加油加氣混建站的建設(shè)，傳統(tǒng)能源巨頭（如中石油、中石化等）有著豐富的氫能資源和傳統(tǒng)加油站網(wǎng)絡(luò)體系，對于氫能規(guī)劃非常積極，正在開展北京市遠(yuǎn)郊區(qū)域的加氫站布局和程序?qū)徟?/p>

　　3、經(jīng)濟(jì)可行性

　　氫氣成本構(gòu)成較為復(fù)雜，包含制、儲(chǔ)、輸及加等環(huán)節(jié)。我們以成本昂貴的電解水制氫為例。制氫環(huán)節(jié)的直接成本為電和水，1Nm3氫氣耗電5.5kWh、耗水1L；間接成本包括人工、設(shè)備檢修和易損件更換等。以2000萬Nm3/年的氫氣產(chǎn)量、電價(jià)0.5元/度折算（不考慮折舊和產(chǎn)房攤銷等），制氫成本為2.76元/Nm3，電耗成本占制氫環(huán)節(jié)的94%以上。儲(chǔ)運(yùn)采用長管拖車氣態(tài)高壓儲(chǔ)氫方式，運(yùn)費(fèi)包括油費(fèi)（油耗百公里300元）和過路費(fèi)（百公里250元）。以張家口至北京運(yùn)輸路線折算，氫氣運(yùn)輸成本為0.14元/Nm3。氫氣加注成本包括人工、設(shè)備檢測及維修、易損件更換和電費(fèi)等（不考慮折舊和產(chǎn)房攤銷等），約合0.35元/Nm3。綜合下來，不考慮商業(yè)利潤等情況，氫的WTT（Well-to-Tank，從燃料源到汽車燃料儲(chǔ)存裝置）成本約為3.25元/Nm3，即氫成本理論上可控制在40元/kg以下。當(dāng)然，如果考慮各環(huán)節(jié)的利潤，尤其是制氫廠、加氫站的設(shè)備折舊等費(fèi)用，目前的氫能成本還需降低。例如，目前加氫站核心設(shè)備有壓縮機(jī)、儲(chǔ)氫罐和加氣機(jī)等，多為國外進(jìn)口，如果能實(shí)現(xiàn)核心設(shè)備國產(chǎn)化，加氫站的成本將大幅降低，未來氫氣價(jià)格還有下降的空間；可再生能源發(fā)電的成本如果大幅下降，未來終端客戶用氫可控制在35元/kg左右。

　　4、北京氫燃料電池客車產(chǎn)業(yè)鏈初步形成

　　北京市氫燃料電池產(chǎn)業(yè)肇始于“十五”期間國家“863”燃料電池汽車開發(fā)項(xiàng)目，經(jīng)多年發(fā)展，逐步形成了以高精尖科研院所和企業(yè)為主體的氫燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈，成為國內(nèi)領(lǐng)先的氫燃料電池車輛示范城市，產(chǎn)業(yè)發(fā)展前景可期。

　　（1）整車開發(fā)

　　北京市擁有北汽集團(tuán)、福田汽車等國內(nèi)領(lǐng)先的大型汽車企業(yè)，其中福田汽車與億華通聯(lián)合開發(fā)的多款車型已開始商業(yè)化推廣。同時(shí)，福田汽車正在聯(lián)合清華大學(xué)、億華通等單位開發(fā)面向冬奧會(huì)的120kW城際高速客車；福田汽車聯(lián)合億華通正在開發(fā)8噸物流車、12噸環(huán)衛(wèi)車和25噸重卡，其中首批8噸物流車將于2018年10月份交付并示范運(yùn)營。北汽集團(tuán)聯(lián)合億華通已開發(fā)使用國產(chǎn)化電堆、70MPa氫系統(tǒng)和續(xù)航里程達(dá)到400km的第二代氫燃料電池乘用車，并將在2018北京國際汽車展亮相。

　　（2）核心零部件開發(fā)

　　經(jīng)過多年積累，北京市逐漸形成了以億華通為代表的一批氫燃料電池核心零部件研發(fā)生產(chǎn)企業(yè)。其中，億華通已經(jīng)實(shí)現(xiàn)氫燃料電池電堆國產(chǎn)化，量產(chǎn)氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)已于2017年8月成功下線，與北汽、福田、宇通等國內(nèi)多家主流整車企業(yè)建立了合作關(guān)系；北京科泰克和北京天海自主研發(fā)了35MPa和70MPa的車載儲(chǔ)氫瓶；北京精進(jìn)電機(jī)開發(fā)了適合氫燃料電池汽車使用的專用電機(jī)產(chǎn)品；北京盟固利、北京科易開發(fā)了配合氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)功率輸出特性的鋰電池產(chǎn)品。由此可見，北京市在國內(nèi)率先形成了較為完整的氫燃料電池汽車零部件配套體系。

　　（3）供氫體系

　　氫氣作為最普通的化工原料，其生產(chǎn)技術(shù)非常成熟。我國是世界第一的制造業(yè)大國，氫氣產(chǎn)量也是位居世界第一，氫能在我國的推廣利用具有堅(jiān)實(shí)的物質(zhì)來源。我國每年有大量的工業(yè)副產(chǎn)氫氣因?yàn)檎也坏匠雎?，而被?dāng)作普通燃料燒掉，更有甚者，因?yàn)槌鲇诎踩紤]而白白用火炬燒掉。同時(shí)，我國又是可再生能源裝機(jī)容量全球最大的國家，每年由于電網(wǎng)容量不足，造成大量的綠色電能白白放棄。

　　氯堿工業(yè)：2015年我國的氯堿產(chǎn)量3028.1萬噸，副產(chǎn)氫氣約75.7萬噸。

　　焦化工業(yè)：我國是煤炭大國，也是世界第一的焦炭生產(chǎn)國，焦炭年產(chǎn)量超過8億噸。副產(chǎn)焦?fàn)t煤氣約3800億立方米，其中氫氣約55%，1870萬噸。

　　石油化工：根據(jù)計(jì)算，一套年產(chǎn)60萬噸丙烯的丙烷脫氫工廠每年副產(chǎn)氫氣接近3萬噸，而全國已開車，在建和將要建的裝置要超過20多家，60萬噸的氫氣。

　　綠色電能：2016年全年棄風(fēng)497億度電，可生產(chǎn)氫氣98.6萬噸；2016年上半年西北五省棄光32.8億度電，可生產(chǎn)氫氣6.5萬噸；2016年云南、四川共棄水660億度電，可生產(chǎn)氫氣131萬噸。

　　由于我國在工業(yè)副產(chǎn)氫氣量大和可獲得性方面的優(yōu)勢，使得我國現(xiàn)階段推廣氫能在交通運(yùn)輸行業(yè)的應(yīng)用具備站在世界前沿的資源基礎(chǔ)。

　　神華集團(tuán)、中節(jié)能風(fēng)力發(fā)電股份有限公司和北京海珀?duì)柨萍加邢薰镜壤煤颖笔∝S富的風(fēng)電資源，在張北、沽源等地建立了風(fēng)電制氫項(xiàng)目，制氫項(xiàng)目分期完成，能滿足京津冀地區(qū)氫燃料電池汽車對高純度、低成本氣源的需求。北京擁有全國第一座車用加氫站，即北京永豐加氫站。該站由億華通建設(shè)運(yùn)營，積累了大量加氫站運(yùn)營數(shù)據(jù)和豐富經(jīng)驗(yàn)，可以為北京市今后加氫站的建設(shè)及運(yùn)營提供有力支撐。同時(shí)，中石化、中石油、神華等能源企業(yè)正在積極布局加氫站建設(shè)，為北京地區(qū)氫燃料電池汽車的推廣提供便利的加氫服務(wù)。

　　（4）示范運(yùn)營

　　表2-2是燃料電池客車在京津冀地區(qū)的示范運(yùn)行歷程，其中，2018年燃料電池團(tuán)體班車和公交車均已進(jìn)入商業(yè)化推廣階段。就目前發(fā)展情況來看，北京市氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)在全國的領(lǐng)先優(yōu)勢凸顯，氫能與燃料電池汽車全產(chǎn)業(yè)鏈基本形成。

表2-2 燃料電池汽車京津冀地區(qū)的示范運(yùn)行情況

　　結(jié)  論

　　目前，全球燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)正處于產(chǎn)業(yè)化初期，在乘用車、客車和物流車等多個(gè)領(lǐng)域正開展小批量的商業(yè)化推廣。燃料電池技術(shù)的進(jìn)步、汽車電子技術(shù)的發(fā)展、各國政府的大力扶持、零部件成本的不斷降低以及氫基礎(chǔ)設(shè)施的逐漸完善等是燃料電池汽車商用化最重要的幾個(gè)因素。得益于政府的強(qiáng)力扶持和龐大的市場潛力，我國的燃料電池汽車發(fā)展勢頭迅猛。憑借交通網(wǎng)絡(luò)發(fā)達(dá)、環(huán)境典型以及運(yùn)營基礎(chǔ)良好等優(yōu)勢，北京公交正迎來燃料電池公交車規(guī)?；茝V的時(shí)期，逐步構(gòu)建氫能交通體系、優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、促進(jìn)氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展以及助力北京市藍(lán)天保衛(wèi)戰(zhàn)。

　　在后續(xù)階段，應(yīng)注重以下幾個(gè)影響燃料電池公交車產(chǎn)業(yè)化推廣的關(guān)鍵因素：

　　（1）氫基礎(chǔ)設(shè)施：燃料電池汽車的能源保障，其發(fā)展與燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化推廣是相得益彰的；

　?。?）政策法規(guī)及標(biāo)準(zhǔn)：目前政策對燃料電池汽車的支持力度很大，但囿于現(xiàn)有部分法規(guī)或標(biāo)準(zhǔn)的限制，尤其是加氫站的建設(shè)審批，后續(xù)還需要加強(qiáng)這方面的工作，使政策能真正推動(dòng)氫能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展、標(biāo)準(zhǔn)能有效規(guī)范行業(yè)研發(fā)和生產(chǎn)，同時(shí)加強(qiáng)宣貫和示范活動(dòng)，引導(dǎo)和提高主管機(jī)構(gòu)和公眾對氫能的接受度；

　?。?）成本：目前燃料電池汽車成本高，主要是因未形成規(guī)?；?yīng)，隨著燃料電池汽車規(guī)?；茝V應(yīng)用，燃料電池技術(shù)也將不斷進(jìn)步，相關(guān)零部件也將規(guī)?；a(chǎn)化，燃料電池汽車成本會(huì)大幅度下降，可反過來推動(dòng)燃料電池汽車的產(chǎn)業(yè)化；

　?。?）耐久性：北京公交尚未大批量應(yīng)用推廣，還需要在后續(xù)運(yùn)營中實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的升級換代，進(jìn)而推動(dòng)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

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