氢燃料电池汽车在公交的推广应用

北京公共交通控股（集团）有限公司 赵汝亮 刘宝来

氢燃料电池汽车作为新能源汽车的重要组成，具有清洁高效、续驶里程长、加氢时间短等特点，随着技术的进步和产业链的完善，其推广应用步伐将逐渐加快、规模将逐步扩大。氢燃料电池汽车在公交的推广，对于发展氢能交通体系、优化公交能源结构和缓解城市交通污染有着重要的意义。

1 燃料电池与燃料电池技术

燃料电池是继热能发电、水力发电和原子能发电之后的第四种发电技术，其利用电化学反应将燃料的化学能（即吉布斯自由能）直接转换成电能，转换效率相对较高，有害气体（氮氧化物、硫氧化物等）的排放量极少，且无噪声污染。作为一种清洁型新能源，燃料电池在交通运输、固定式电站、流动性电源等方面有着广阔的应用前景。

按电解质的不同，燃料电池主要分碱性燃料电池（AFC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCFC）、固体氧化物燃料电池（SOFC）和质子交换膜燃料电池（PEMFC）等，其中，PEMFC工作温度为50℃～90℃，用氢气作为燃料，是氢燃料电池汽车理想的动力源。

质子交换膜燃料电池的工作原理如图1所示。

图1 质子交换膜燃料电池工作原理示意图

在氢电极（负极）或阳极上，发生如下反应：

2H2→4H++ 4e-

在氧电极（正极）或阴极上，发生如下反应：

O2+ 4H++ 4e-→2H2O

在外电路上，电流流向相反，从阴极端流向阳极端。

总反应式为：2H2+ O2→2H2O

2 氢燃料电池汽车动力系统

氢燃料电池汽车动力配置方案有纯燃料电池、燃料电池加蓄电池、燃料电池加超级电容、燃料电池加蓄电池加超级电容、燃料电池加飞轮以及插电式等六类。

燃料电池电-电混合动力系统主要包括燃料电池、辅助动力源、DC/DC变换器等部件。燃料电池系统作为车辆常规运行时的主要动力源，为车辆的常规运行提供所需能量；辅助动力源主要为蓄电池，提供车辆在启动、加速、爬坡等特殊工况下所需功率。如此，既能保证车辆在不同工况下所需的能量，同时能够减小对燃料电池的冲击，提高燃料电池的寿命。

一般根据燃料电池系统是否与电机控制器直接相连分为直接燃料电池混合动力系统和间接燃料电池混合动力系统。

（1）直接燃料电池混合动力系统（图2）。燃料电池系统直接与电机控制器相连，同时，使用蓄电池作为辅助动力装置，蓄电池组和动力系统的直流母线之间使用双向DC/DC变换器。

（2）间接燃料电池混合动力系统（图3）。在燃料电池系统前面使用单向DC/DC变换器来对燃料电池系统和电机驱动系统进行电压匹配，并对燃料电池系统的输出功率进行控制，辅助动力源装置选用蓄电池组，并直接与直流母线相连接。

图2 直接燃料电池混合动力系统

图3 间接燃料电池混合动力系统

燃料电池直接驱动构型中，为满足车辆良好的动力性，燃料电池动力系统（FCE）必须具有良好的动态特性和V-I特性，同时，为避免FCE瞬时大功率放电导致的母线电压过低而损坏燃料电池电堆，FCE的额定功率取值也相对偏高。

燃料电池间接驱动构型中，由于DC/DC变换器的作用，实现了FCE与储能系统（ESS）的功率耦合和电压隔离，有利于对燃料电池动力系统优化调节，在目前燃料电池的技术水平下，是一种经济实用的混合动力系统构型。

3 氢燃料电池公交车系统结构

氢燃料电池具有电压电流输出特性及动态响应滞后的特点，而城市公交大客车运行存在驱动与制动功率波动频率高、幅度大以及长续驶里程的总驱动与制动能量较大等工况，因此氢燃料电池公交车动力系统一般采用燃料电池加功率型动力电池的电-电混合动力系统方案。

图4 国内氢燃料电池客车动力系统结构示意图

氢燃料电池公交车以燃料电池动力系统为动力源，其驾驶习惯与燃油车类似，但构造与传统燃油车和电动汽车存在一定的差异。图4是国内燃料电池公交客车动力系统结构示意图，氢瓶置于车顶，燃料电池电堆及电机等均置于车后。通常，国内12m燃料电池公交车采用不低于60kW的燃料电池系统和功率型动力电池相结合的电-电混合动力系统，配有8～10个35MPa储氢瓶，续驶里程可超过300km。

4 氢燃料电池公交车的推广应用

氢燃料电池汽车只排放水蒸汽，公交车的加氢时间一般不超过10min，续航里程可达到300km以上。

4.1 氢源供应

氢源是保障氢燃料电池公交车正常运营的关键，相关产业包括制、储、运、加等方面。

4.1.1 制氢

目前常用的制氢方式包括化石燃料制氢、含氢尾气/副产氢气回收利用、高温分解制氢和电解水制氢。化石燃料制氢包括石油、天然气蒸汽重整制氢和水煤气法制氢等。工业副产氢制氢是指利用含氢工业尾气为原料制氢，工业尾气主要包括合成氨产生的尾气、炼油厂副产尾气、氯碱工业副产气、煤化工焦炉煤气等。高温分解制氢分甲醇裂解制氢和氨分解制氢。水电解制氢通过提供电能使水分解制得氢气，该过程的效率一般在75%～85%左右，其工艺过程简单无污染，但因电耗大而成本较高。根据统计，我国现有氢气主要来自化石燃料制氢，其中煤炭制氢占20 %，天然气制氢占46 %，石油制氢占30 %，电解制氢占3 %。从低碳环保角度看，以新能源为基础的电解水制氢是未来发展目标。

4.1.2 储运

储运技术主要包括高压气态储运、低温液态储运、固体储运和有机液态储运等，表1列出了各种储氢技术优缺点。

表1 不同储运方法的质量储氢密度和优缺点

4.1.3 加氢

目前主要应用技术成熟的高压气态储氢方式，氢气加注是通过将不同来源的氢气经压缩机增压，然后储存在加氢站内的高压储罐中，再通过氢气加气机为氢燃料电池汽车加注氢气，其加注流程如图5所示。加氢站根据是否现场制氢，分为外供氢加氢站和站内制氢加氢站两种。

在现有政策法规体系下，氢属于危化品，国家和地方的管控要求非常严格，相关加氢站的审批困难，制约了各地氢能与燃料电池汽车的产业化推广。由于燃料电池公交车的续驶里程长且稳定，加氢站可以考虑在审批难度相对较低的远郊地区布局，较短的加氢时间和较长的续驶里程，完全可以实现燃料电池公交车“远郊加氢、市-郊中长途运行”的方案。另一方面，国内已出台相关标准支持加氢加油加气混合站的建设，传统能源巨头（如中石油、中石化和国家能源集团等）有着丰富的氢能资源和传统加油站网络体系，对于氢能的规划非常积极，正在开展加氢站布局和程序审批。表2是我国现有加氢站建设情况（截至2018年7月），其中，整体运营15座（固定站8座，撬装站7座），在建的有26座。

图5 加氢站工作流程

4.1.4 氢能经济性

氢的成本主要包括制氢、输运和加氢三个环节。

以1000Nm3/h的制氢规模为计算基础，天然气重整制氢成本0.8～1.5元/Nm3，甲醇水蒸气重整制氢成本1.2～1.5元/Nm3，工业副产氢提纯成本0.9元/Nm3，电解水制氢成本3.5元/Nm3。从近、中期来看，天然气重整和工业副产氢提纯的成本优势明显，是制氢技术路线的选择重点；从长远来看，低能耗、高效率及低污染是制氢技术追求的目标，先进的制氢技术、可再生能源制氢技术，是未来氢能发展的必由之路。

输运环节目前以20MPa的长管拖车为主，一般认为输运半径宜控制在200km以内，否则将造成氢成本大幅增高。

加氢环节需视加氢站的建设和运营而定，目前加氢站核心设备有压缩机、储氢罐和加气机等，多为国外进口，如果能实现核心设备国产化，加氢站的成本将大幅降低，未来氢气价格还有下降的空间。

4.2 氢燃料电池公交车推广应用情况

我国的氢燃料电池汽车示范始于2003年全球环境基金（GEF）/联合国开发计划署（UNDP）/国家科技部（MOST）联合支持的“中国燃料电池公共汽车商业化示范”一期项目，3辆进口氢燃料电池公交车于2006年6月到2007年10月在北京公交801线路上正式运营。2008年8月到2009年7月，3辆国产氢燃料电池公交车在北京384路示范运行。2016年，佛山投入12辆燃料电池客车用于公交运营。2017年3月到6月，在北京市科委的支持下，5辆氢燃料电池公交车在北京384路线示范运营120余天。2018年，如皋有3辆燃料电池公交车开始运营，开启我国县级城市氢能公交运营先河。张家口公交2018年配备了74辆燃料电池公交车，在23、33等多条重要路线运营，后续还将分批陆续购置燃料电池公交车，逐步构建氢能交通体系，助力该地区氢能产业的发展和2022“绿色冬奥”。

表2 我国加氢站建设情况（截至2018年7月）

5 氢燃料电池公交车推广应注意的问题

鉴于氢燃料电池公交车特有的工况特点，在推广应用中需要注意的问题主要是技术适用性、运维、政策法规及标准、成本和宣贯等方面。

（1）技术适用性：温度、湿度、海拔、空气质量等对燃料电池车辆的运行均有影响，我国各地气候、环境、工况复杂性差异较大，燃料电池公交车的技术适用性有待在推广应用中进一步考量和验证，尤其是低温启动性能和耐久性等。

（2）运维：具体包括氢基础设施是否完备、氢源供应是否充足稳定、配件供应是否及时、公交运维保障及应急方案的改进完善等。

（3）政策法规及标准：目前政策对燃料电池汽车的支持力度很大，但囿于现有部分法规或标准的限制，相关产业发展相对滞后，尤其是加氢站的建设审批较为缓慢，后续还需要加强这方面的工作，使政策能真正推动氢能产业的发展，标准能有效规范行业的研发和生产。

（4）成本：目前燃料电池汽车整车及运营成本均相对较高，主要原因是技术还有待继续完善，产业未真正形成规模化效应。随着燃料电池技术不断进步和燃料电池汽车规模化推广应用，相关零部件规模化、国产化，燃料电池汽车的购置和运营成本将会大幅下降，又可反推燃料电池汽车的产业化进程。

（5）安全保障和宣贯：安全性问题在燃料电池公交车推广中关注度较高。燃料电池汽车的氢安全性主要指燃料电池汽车运行过程中车载氢系统的安全，包括高压供氢系统、燃料电池发电系统的安全性等。目前，为了保证燃料电池车辆的安全，各企业主要从材料选择、氢泄漏监测、静电防护、防爆、阻燃等方面进行预防和控制。另一方面，需要对驾驶员开展安全驾驶和应急处理培训，对社会公众开展氢能安全普及宣贯。