寒区环境燃料电池公交车的示范运营.pdf

技术协作信息2023（7）总第 1488 期寒区环境燃料电池公交车的示范运营霍俊青1袁殿21.张家口市公共交通集团有限公司；2.北京亿华通科技股份有限公司摘要：张家口地区开展了全球规模最大的极寒环境燃料电池公交车示范运营，经历了低温（接近-25）、低湿、高海拔等复杂环境和工况。本文通过抽取样本信息，如车辆运营里程、加氢量、加氢次数和故障次数等，分析了燃料的经济性、耐久性和可靠性。分析了寒区环境燃料电池公交车示范运营在产品质量提升、产业链完善、运营模式验证等方面的推动作用，以期进一步为燃料电池汽车示范城市群建设提供借鉴。关键词：燃料电池公交车；氢能；示范运营管理科学燃料电池汽车具有加氢时间短、续驶里程长、零排放等优点，是新能源汽车的重要技术路线，受到了各国政府和车企的重点关注，其商业化推广是氢能产业发展的突破口，对于优化能源消费结构、实现双碳目标有着重要意义。经过多年发展，燃料电池汽车经历了概念车型、关键技术攻关和示范运营等阶段，目前我国已进入了燃料电池汽车示范城市群建设期。自 2018 年起，张家口作为国内七个城市之一参与了全球环境基金（GEF）/联合国开发计划署（UNDP）/科技部（MOST）发起的“促进中国燃料电池汽车商业化发展”三期项目，以城市公交为运营场景，验证燃料电池汽车在低温、低湿、高海拔环境下的适应性。2022 年，由张家口牵头的河北省燃料电池汽车示范城市群获批并开始建设，同年，千辆规模的燃料电池客车被用于冬奥保障服务。上述示范运营为寒区环境下燃料电池汽车运行积累了宝贵的实践数据。一、国内外现状截至 2022 年底，全球氢燃料电池汽车保有量约5 万辆，主要分布在中国、韩国、美国、日本和欧洲等，其中，中国保有量超过 1.2 万辆。目前，欧美日韩以乘用车为主，中国几乎全部为商用车。本文主要介绍燃料电池商用车运营情况。自 20 世纪末开始，欧美日陆续投入了多个燃料电池大巴示范项目，主要目的是验证并改进燃料电池在公共服务领域应用的可用性和稳定性，包括：日本“氢能与燃料电池实证规划”（JHFC）（2002 年 2010年）、加拿大“氢高速”项目（2006 年 2014 年）、欧洲“城市清洁氢能”（CHIC）项目（2010 年 2016 年）及美国“燃料电池公共汽车”（AFCB）项目（2012 年2018年）等。自 2003 年起，我国在联合国开发计划署（UNDP）、全球环境基金（GEF）和科技部（MOST）的支持下，分期启动了“促进中国燃料电池汽车商业化发展”项目，开展燃料电池汽车示范运营工作，包括：一期项目（2003 年 2007 年）、二期项目（2007 年2012 年）和三期项目（2016 年 2021 年）。同时，科技部资助了“典型区域多种燃料电池汽车示范运行研究”项目（2018 年 2021 年），选取京津冀、中原、长三角和珠三角四个区域，验证了车辆的环境适应性、可靠性、耐久性和安全性等。三期项目和科技部项目均是全球关注的大规模、多车型示范标杆项目。目前，我国燃料电池汽车所有车辆累计行驶里程超 1亿公里。本文基于张家口地区燃料电池公交车示范运营工作，通过抽样数据整理和共性问题分析，总结示范成果和经验，为燃料电池公交车推广应用提供参考。二、示范条件（一）车辆抽取的样本数据来自 2018 年投入运营的 10 辆10.5 米公交车，配置 30kW 燃料电池发动机系统及35MPa 氢系统（储氢 19.8kg），数据跟踪采集时间为 2年至 3 年，经历了相对完整的复杂工况和运行环境，以期获得相对全面的分析结果。（二）气候环境气候环境对燃料电池汽车运行影响较大的是温窑窑技术协作信息2023（7）总第 1488 期管理科学度等。张家口地区冬季单日极端低温接近-25，示范区域的海拔一般在 500 米 800 米，全年气压为0.92105Pa0.95105Pa（小于标准大气压），相对较低，全年相对湿度较低，有相当部分时间处于低湿状态。（三）氢能供应在示范运营过程中，氢源前中期供应以电解水制氢、氯碱副产氢等为主，后期供应逐渐转向可再生能源电解水制氢。氢气输运采用 20MPa 长管拖车，单车有效装卸量约 270kg。氢气加注服务主要由加氢站提供，具备 35MPa 氢系统加注能力，日加注量为1500kg（峰值可达 2500kg）。（四）运维保障1.氢安全氢安全包括氢制取、储运、加注和终端应用等多个层面，针对各涉氢环节均须制定并遵循相应的设计要求、操作规范、注意事项及应急措施等，如 安全指导规范 燃料电池发动机使用手册 作业指导书 维修和调试手册 应急保障方案 等。2.运维服务建立监控平台，实时跟踪车辆示范运营状态。前期按 10 车/人、中后期按 20 车/人配置，确保运维保障，当车辆出现突发故障时，运维人员在 1 小时内赶到现场并针对车辆问题给出快速处理方案。（五）示范路线示范路线结合张家口示范区域的交通特点、出行需求以及氢基础设施，选取示范路线的基本原则主要是便于加氢、便于维修、通行需求大、社会展示效果好等。基于上述需求，示范运营路线主要有 1路、2 路、9 路、10 路、23 路、33 路、39 路、K1、K2、K3等 10 余条线路，大部分属于市区交通主干路线，往返里程 20km70km，加氢距离 2km5km。三、示范情况2018 年至 2021 年期间，燃料电池公交累计的运营数据为车辆 304 辆，运行里程 1600 万公里，运行时间 84 万小时，载客 5157.38 万人次。图 1 是抽样 10 辆公交单月运行里程统计图，单月运营强度基本一致，2020 年 2 月、3 月运营强度降低（受疫情影响）。图 2 是单月加氢量，趋势与里程图一致。根据统计，单次加氢量平均为 10kg12kg，即车辆一般在气瓶储氢量降至 2/5 时开始加注。图 1 单月运行里程（10 辆抽样车辆）图 2 单月加氢量（10 辆抽样车辆）四、示范数据分析（一）氢耗经济性氢耗是影响燃料电池车辆运行经济性的重要因素。根据总运行里程及总加氢量，10.5 米燃料电池公交车的平均百公里氢耗为 6.29kg。假设加氢站终端加注价格按 30 元/kg 计，则百公里能源成本为188.70 元。对比一期（18kg）、二期（9.56kg）项目数据发现，燃料电池公交车能耗经济性得到较好改善。（二）耐久性燃料电池电堆的寿命是燃料电池汽车发展的主要瓶颈之一。根据电压-时间线性拟合斜率来预测燃料电池寿命，预测得到抽样车辆的平均寿命为8700h。相比一期项目（1000h），燃料电池发动机系统耐久性得到较大提升。另外，本次抽样的燃料电池发动机为 2018 年出产，属于国产电堆示范早期产品，近两年产品寿命有较大提升，超过 1.6 万小时。（三）可靠性示范运行期间抽样车辆累计发生故障 192 次，平均无故障里程 7513 公里。该数值优于一期（1375公里）、二期项目（3430 公里），表明燃料电池发动机系统的可靠性逐渐提升。五、示范效应（一）产品质量提升在示范运营过程中，发现并解决了多个共性关窑窑技术协作信息2023（7）总第 1488 期键问题（见表 1），从设计、生产到运营等多个环节不断完善产品质量保障体系，建立了从膜电极到燃料电池系统的国产化量产工艺流程。通过技术升级和产品迭代，目前燃料电池发动机系统功率覆盖30kW240kW，质量功率密度由 100W/kg 提升至810W/kg，效率由 45%提升至 60%，冷启动能力由-10提升至-40，实现了跨越式提升。表 1 共性问题与改进措施（二）产业推动示范运营促使产业链上下游密切合作、交流，资源得到有效整合，对产业链的完善和发展起到了积极推动作用。第一，国产化。通过示范运营，培育出了新的零部件供应商，提升了国产化水平。例如，在空压机方面，突破了空气轴承等关键技术，实现了从空白到量产；氢气循环泵方面，突破了适用于氢气的轴封、防爆、电机等技术；在氢气引射器方面，解决了工况与电堆匹配问题，实现自主设计，可替代氢气循环泵；在水泵方面，从小流量发展到大流量，实现了量产；在增湿器方面，突破了膜管材料，实现了中试。第二，降成本。燃料电池发动机系统成本约占整车成本 1/2 左右，也最具备降本潜力。在技术进步、规模扩大和核心部件国产化替代等多重主导因素推动下，燃料电池发动机系统成本快速下降，由示范运营早期的 1.5 万元/kW2.0 万元/kW 降至 0.5 万元/kW以下；整车（以 9 米客车为例）由 170 万元/辆下降至85 万元/辆左右（相同配置、不计补贴）。第三，氢能产业链完善。通过示范拉动，促使京津冀乃至全国构建了相对完备、自主可控的氢能与燃料电池汽车产业链，涵盖了氢制储运加、燃料电池核心部件与材料、整车制造与运营等众多领域。（三）商业模式验证多名学者认为，基于国家级产业引导政策和应用场景分析，我国燃料电池汽车发展路线应以商用车为主，尤其是在燃料电池产业发展的前期，发展燃料电池商用车的价值高于乘用车。示范运营验证了燃料电池商用车商业化发展的可行性。由于商用车体积较大、动力性能和续驶里程要求较高，同时行驶路线相对固定，对加氢站数量的依赖性较低，可以在加氢站密度相对偏低的情况下支持燃料电池商用车辆的常态化运营，有效缓解“加氢焦虑”。燃料电池公交车作为公共出行工具，线路辐射区域宽广，起到了较好的移动宣传作用，提高了社会对氢能与燃料电池汽车技术及商业模式的认可度。事实上，在示范运营的推动下，张家口燃料电池车辆运营规模逐渐增大。总结通过大规模、长周期示范运营，在复杂运行环境和工况条件下（如低温、高温、低湿、高海拔等），验证了燃料电池公交车的环境适应性、耐久性、可靠性和安全性。同时，积累了大量的实测数据和运维经验，为技术升级、产品迭代、运维保障等提供了改进和验证平台，推动了氢能与燃料电池汽车产业发展，促进了政策法规完善，补齐了产业链条，包括氢制储运加、燃料电池发动机系统核心零部件及材料、整车集成与运营等，成功保障了 2022 冬奥“氢能出行”服务，为燃料电池示范城市群建设打下了坚实基础。燃料电池商用车在城市公交、物资流通等领域率先应用之后，伴随着氢能与燃料电池技术发展与成本下降，将进一步向港口码头、城际物流、城际客运、特定路线的轨道交通等领域拓展。我国约 50%的石油消费需求来自交通运输业，而传统商用车整体燃油消耗远超乘用车，实现商用车从传统燃油动力向氢燃料动力的转型，有利于缓解环境污染问题、优化能源消费结构，助力实现双碳目标。参考文献：1杨妙梁.世界燃料电池车的发展动向(一)日本氢能与燃料电池实证规划（JHFC project）J.汽车与配件，2004（51）：30-31.2王菊.燃料电池公共汽车示范运行评价分析J.北京汽车，2013（02）：1-5.3郑俊生，戴宁宁，赵坤等.基于示范运营的燃料电池汽车性能衰退分析方法J.储能科学与技术，2021，10（02）：577-585.4王菊，尤可为，于丹.燃料电池公共汽车在北京和上海载客示范评价J.汽车技术，2013（10）：19-22.5邓学，叶雨明，王贺武等.北京奥运示范运行燃料电池大客车的能量分析J.清华大学学报（自然科学版），2010（05）：12-17.管理科学窑窑