氫燃料電池公交車技術(shù)研究及應(yīng)用

摘要：氫燃料電池汽車加氣快，續(xù)駛里程長，能量轉(zhuǎn)換率高，氫燃料可再生，是我國新能源汽車產(chǎn)業(yè)一條重要的技術(shù)路線。本技術(shù)基于氫燃料電池公交車的應(yīng)用進(jìn)行分析，提出我國氫燃料電池發(fā)展現(xiàn)狀，指出作為一種真正意義上的“零排放，無污染”載運(yùn)工具，氫燃料電池汽車是未來新能源清潔動(dòng)力汽車的必然發(fā)展方向，氫燃料電池汽車的研發(fā)與量產(chǎn)必將成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域的一場(chǎng)新革命。關(guān)鍵詞：車輛工程；新能源；氫燃料電池；零排放；節(jié)能環(huán)保

1技術(shù)概況氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置，其基本原理是電解水的逆反應(yīng)，把氫和氧分別供給陽極和陰極，氫通過陽極向外擴(kuò)散與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子通過外部的負(fù)載到達(dá)陰極。氫氣作為最輕的氣體，密度僅為空氣的7%，在發(fā)生泄漏時(shí)，氫氣會(huì)迅速逃逸，不易發(fā)生積聚形成爆炸性氣體，相對(duì)燃油和天然氣具有較高的安全性。我國燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀，一是以燃料電池與動(dòng)力電池的深度混合動(dòng)力為技術(shù)特色；二是以燃料電池商用車為主體；三是以Ⅲ型壓縮氫瓶為車載儲(chǔ)氫主流方式。氫燃料電池技術(shù)近年來發(fā)展迅速，作為一種真正意義上的“零排放，無污染”載運(yùn)工具，氫燃料電池汽車是未來新能源清潔動(dòng)力汽車的必然方向，氫燃料電池汽車研發(fā)與量產(chǎn)，必將成為全球汽車工業(yè)領(lǐng)域的一場(chǎng)新革命。2

技術(shù)原理氫燃料電池將氫氣送到燃料電池的陽極板（負(fù)極），經(jīng)過催化劑（鉑）的作用，氫原子中的一個(gè)電子被分離出來，失去電子的氫離子（質(zhì)子）穿過質(zhì)子交換膜，到達(dá)燃料電池陰極板（正極），而電子是不能通過質(zhì)子交換膜的，只能經(jīng)外部電路，到達(dá)燃料電池陰極板，從而在外電路中產(chǎn)生電流。電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子重新結(jié)合為水。由于供應(yīng)給陰極板的氧可以從空氣中獲得，因此只要不斷地給陽極板供應(yīng)氫，給陰極板供應(yīng)空氣，并及時(shí)把水（蒸氣）帶走，就可以不斷地提供電能。燃料電池發(fā)出的電，經(jīng)逆變器、控制器等裝置，給電動(dòng)機(jī)供電，再經(jīng)傳動(dòng)系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)橋等帶動(dòng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)，就可使車輛在路上行駛。3

技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)氫燃料電池車輛相比傳統(tǒng)燃油車具有以下技術(shù)優(yōu)勢(shì)。（1）能量轉(zhuǎn)化率高與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池車能量轉(zhuǎn)化效率高達(dá)60%~80%，為內(nèi)燃機(jī)的2~3倍。（2）節(jié)能環(huán)保性能優(yōu)越燃料電池的燃料是氫和氧，生成物是清潔的水，它本身工作不產(chǎn)生一氧化碳和二氧化碳，也沒有硫和微粒排出。因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染的車。（3）燃料補(bǔ)充時(shí)間短氫燃料電池車加注氫氣的過程非?？焖俦憬?，專用的加氫設(shè)備僅需8~10min即可充滿氫原料，相對(duì)于純電動(dòng)車超長的充電等待時(shí)間而言，其優(yōu)勢(shì)是顯而易見的。（4）可再生相對(duì)柴油、汽油，氫能源最大的優(yōu)勢(shì)就是可再生。除了工業(yè)副產(chǎn)品制氫之外，還能通過煤制氫、利用谷電電解水制氫等，全生命周期的能源效率要優(yōu)于汽油、柴油。4

技術(shù)應(yīng)用情況氫燃料電池車輛加氫時(shí)間短，續(xù)駛里程長，適用于公路客運(yùn)和公交客運(yùn)。鄭州公交現(xiàn)有氫燃料電池車輛23臺(tái)，車型為宇通牌ZK6125FCEVG5，是宇通客車研發(fā)的第三代氫燃料電池公交車，加氫時(shí)間約為8~10min，加滿氫后理論續(xù)駛里程為500km，比較貼合公交的實(shí)際運(yùn)營需求。車輛目前全部在727路上運(yùn)營，日均運(yùn)營里程195km，百公里氫耗約為8kg（不開空調(diào)和暖風(fēng)），距加氫站終點(diǎn)站約3km，加氫頻率為1.5天/次，每次加氫量約為20kg，車輛的調(diào)度和運(yùn)營方式和傳統(tǒng)車輛相同，可以1：1替代傳統(tǒng)車輛。（1）建立智能化的車輛管理平臺(tái)鄭州公交大力實(shí)施科技創(chuàng)新，著重應(yīng)用現(xiàn)代信息技術(shù)、通過持續(xù)投入、持續(xù)推進(jìn)、持續(xù)提升，建立了先進(jìn)的智能化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了氫燃料電池車輛整車運(yùn)行狀態(tài)數(shù)據(jù)、故障診斷數(shù)據(jù)、公交運(yùn)營數(shù)據(jù)、客流數(shù)據(jù)等數(shù)據(jù)的采集與處理，對(duì)整車的工作電流電壓、燃料電池電堆工況、電動(dòng)機(jī)狀態(tài)、制動(dòng)氣壓的實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)監(jiān)控和故障診斷自動(dòng)化、智能化平臺(tái)的應(yīng)用提高了運(yùn)營生產(chǎn)組織效率和管理水平，為氫燃料電池車輛高效、安全運(yùn)營保駕護(hù)航。（2）建立規(guī)范化的管理制度①聯(lián)合客車生產(chǎn)廠家成立氫燃料電池公交車示范運(yùn)營保障小組，負(fù)責(zé)車輛運(yùn)營過程中的信息收集、反饋與技術(shù)支持。②結(jié)合生產(chǎn)實(shí)際，目前正在制定《氫燃料電池公交車輛各級(jí)維護(hù)修理工藝規(guī)范》等制度。③突出結(jié)果評(píng)價(jià)，使氫燃料電池公交車輛的用、管、修三位一體，有機(jī)結(jié)合。5

效益分析5.1節(jié)能低碳效益據(jù)統(tǒng)計(jì)，常規(guī)12米柴油公交車平均百公里油耗約為42L，每臺(tái)車每年平均運(yùn)營5.5萬千米，23臺(tái)12米常規(guī)柴油公交車年消耗柴油量為53.13萬升。按照12米氫燃料電池汽車能1：1替代12米常規(guī)柴油公交車，23臺(tái)氫燃料電池汽車年可替代柴油量為53.13萬升。與同型號(hào)常規(guī)柴油公交車相比（以12米車為例），氫燃料電池公交車輛每天可減少尾氣排放量176.22kg，每年可減少尾氣排放量63.02噸。5.2經(jīng)濟(jì)效益經(jīng)統(tǒng)計(jì)，23臺(tái)氫燃料電池車輛自投入運(yùn)營以來，共運(yùn)營41.8萬千米，耗氫量為3.66萬千克，百公里氫耗量為8.7kg，按照40元/kg計(jì)算車公里費(fèi)用為3.5元。5.3社會(huì)效益氫燃料電池車輛采用無