1.1 國外燃料電池重卡發(fā)展

　　

　　2016年，美國尼古拉汽車公司發(fā)布一款名為Nikola One的概念型電動卡車，該車安裝了氫燃料電池，只有水蒸氣排出，可以實現(xiàn)零排放。據(jù)透露，未來將有多種配置，視不同行程搭載不同容量的儲氫罐和蓄電池。頂級版的氫燃料電池牽引車，將配備320kW.h的鋰離子電池和功率736kW的電機，一次加注燃料就能行駛2000km。

　　

　　2017年，豐田北美公司與US Hybrid公司聯(lián)手，研制了肯沃斯T660型氫燃料電池牽引車。該車搭載了740組氫燃料電池，產(chǎn)生的電能蓄積在兩個總容量達12kWh鋰離子電池中，并向總功率為500kW的2臺電機提供電能。

　　

　　1.2 國內燃料電池重卡發(fā)展

　　

　　為了大力發(fā)展氫能，國務院和國家發(fā)改委通過鼓勵科研創(chuàng)新、財政補貼、示范運行等方式支持氫能發(fā)展。在《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃》中明確提到，實現(xiàn)氫燃料電池汽車批量生產(chǎn)和規(guī)模示范應用。

　　

　　截止目前，從工信部《新能源汽車推薦目錄》的燃料電池重卡有5款，分別是中國一汽集團、東風汽車集團、江鈴重型汽車、成都大運汽車、南通皋開汽車；另外國內還有一部分企業(yè)已成功研發(fā)氫燃料重卡，比如陜汽、中國重汽、飛馳汽車、徐工等企業(yè)。其相應的產(chǎn)品均采用氫燃料和動力電池的組合。

　　

　　

　　2.1 氫燃料電池重卡優(yōu)點

　　

　　2.1.1 無污染、零排放

　　

　　燃料電池是通過電化學反應而不是燃燒獲取能量，反應產(chǎn)物只有水，無有害氧化物產(chǎn)生。

　　

　　2.1.2 噪音低、振動小

　　

　　傳統(tǒng)重卡通過發(fā)動機內部燃料燃燒，把產(chǎn)生的熱能轉變?yōu)闄C械能，該過程會產(chǎn)生振動以及很大噪音。而氫燃料電池重卡是在電堆內部發(fā)生電化學反應，直接輸出電能，驅動電機，過程運行平穩(wěn)，不發(fā)生振動，噪音低，只有55dB。

　　

　　2.1.3 發(fā)電效率高

　　

　　燃料電池發(fā)電效率高達50%以上，這是由于燃料電池發(fā)生反應后直接產(chǎn)生電能，不需要經(jīng)過熱能或者機械能轉換，減少了能量損失。

　　

　　2.1.4 加注速率快

　　

　　目前氫燃料采用高壓加注，且行業(yè)上已克服加注溫升問題，保證了氫燃料電池重卡加注速率。

　　

　　2.2 氫燃料電池技術不足

　　

　　2.2.1 燃料電池系統(tǒng)成本高

　　

　　對于氫燃料電池重卡來說，燃料電池系統(tǒng)成本占比相對較高，至少比傳統(tǒng)發(fā)動機高4～5倍，極大限制了商業(yè)化發(fā)展，而電堆成本在整個燃料電池系統(tǒng)中占比高達60%，主要是由于反應所用的鉑催化劑昂貴，若隨著技術發(fā)展，減少鉑的含量或者采用其他催化劑代替鉑，將極大地降低整車成本。

　　

　　2.2.2 續(xù)航里程較短

　　

　　氫燃料電池重卡目前采用的是35MPa供氫系統(tǒng)，因整車布置原因，供氫系統(tǒng)均布置于駕駛室后方，續(xù)駛里程僅達300～500km，無法滿足長續(xù)駛里程需求，后續(xù)可通過液氫或固態(tài)儲氫方式進行改進。

　　

　　

　　燃料電池按照動力源的配置可分為純燃料電池驅動、燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅動、燃料電池與超級電容聯(lián)合驅動及燃料電池與輔助電池和超級電容聯(lián)合驅動的形式。行業(yè)上采用較多的是燃料電池與輔助蓄電池聯(lián)合驅動，本文主要對該方式進行詳細介紹。

　　

　　燃料電池車上沒有傳統(tǒng)的柴油發(fā)動機、變速器、油箱等部件，主要由燃料電池堆、動力蓄電池、高壓儲氫罐、DC/DC轉換器、驅動電動機和動力控制單元等組成，其中燃料電池堆為核心組件。電堆中氫與氧反應產(chǎn)生電能，經(jīng)DC／DC變換器的阻抗匹配與電壓轉換后，與動力蓄電池并聯(lián)，共同向驅動電機輸出電能。驅動電機將電能轉化為機械能對車輛進行驅動，其工作原理示意圖如圖1所示。汽車行駛時主要采用燃料電池系統(tǒng)提供電力，動力蓄電池主要起調峰、增容、回收能量的作用。當汽車處于加速、上坡狀態(tài)時，動力蓄電池作為輔助電源提供電力；當汽車處于下坡、減速狀態(tài)時，動力蓄電池回收燃料電池的富余電能。

　　

 

　　

　　圖1 氫燃料電池車工作原理示意圖

　　

　　電堆主要由雙極板和膜電極兩部分組成，而膜電極是由質子交換膜、催化劑和氣體擴散層組成。當氫氣通過雙極板后達到陽極，在催化劑作用下，氫分子分解成氫質子和電子。質子通過交換膜，繼續(xù)前進到達陰極，而陰極的氧分子通過外部電路得到電子生成了氧離子，在催化劑作用下，氫質子和氧離子發(fā)生化學反應生成水，同時釋放一定熱量，電堆工作原理如圖2所示。

　　

　　

　　圖2 燃料電池電堆工作原理圖

　　

　　

　　

　　目前汽車上使用的動力電池主要有鋰離子電池、鉛酸電池、鎳氫電池、超級電容器等。其中鋰離子和超級電容器是最有發(fā)展?jié)摿Φ膭恿﹄姵丶夹g路線。鋰離子電池適應溫度能力差，價格貴，不適宜管理，但質量能量密度較大，多用于乘用車或者混合動力車上。而超級電容器能量密度比較低，不適宜于長途行駛，但功率密度大、充電時間短，多應用于重型牽引車上，如運輸線路固定的危險品專用車、路況良好短距離的港口牽引車。

　　

　　

　　燃料電池儲氫系統(tǒng)的功能是為燃料電堆提供穩(wěn)定的氫氣，進而提供源源不斷的動力。按照儲氫方式的不同，可分為高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫、金屬氫化物儲氫及有機液體儲氫等。衡量儲氫技術的指標為質量儲氫密度和體積儲氫密度。

　　

　　目前行業(yè)上主要采用高壓氣態(tài)儲氫方式將氣態(tài)氫儲存在氣瓶中，最大質量儲氫密度為5.7%，體積儲氫密度為40.4g/L。該技術以35MPa儲氫技術為主，技術較為成熟，已廣泛應用于氫燃料電池汽車，而70MPa儲氫技術處于研發(fā)階段。

　　

　　

　　氫燃料電池重卡的優(yōu)點已經(jīng)得到行業(yè)認可，縱觀整個氫能產(chǎn)業(yè)鏈，雖然我國氫燃料電池重卡技術起步晚，但國內已初步形成一定的產(chǎn)業(yè)鏈，其相關氫能零部件正在逐漸實現(xiàn)國產(chǎn)化，同時各種儲氫技術正在不斷發(fā)展，相信不久的將來，“零排放”氫燃料電池重卡必將在新能源汽車領域占有一席之地。