福建省首條氫能公交示范線探索

張堅

摘 要：我國2019年《政府工作報告》提出“推動充電、加氫等設施建設。”是氫作為能源首次寫入《政府工作報告》。氫能以來源豐富、綠色環保、可存儲、高能量等鮮明特征，被公認為21世紀的終極能源。本文旨在研究福建首條氫能公交示范探索過程的具體方案和結果。

關鍵詞：氫能

1 引言

迄今為止，人類社會目前已歷經了三次翻天覆地的工業革命，即蒸汽時代、電氣時代、信息時代。人類文明每一次重大進步都伴隨著能源的改進和更替，以及全球產業的大轉移和國際格局的大調整。1769年瓦特發明了蒸汽機，使用煤炭，推動了第一次的工業革命;1873年大功率的電動機發明，電力的應用進到千家萬戶;之后石油、汽油、柴油得到廣泛應用，而內燃機的發明和使用更是推動了新的工業革命進程。當下世界，以綠色高效能源為核心的第四次工業革命已經拉開序幕，新的能源使用方式將引領全方位的革新，重塑21世紀的能源產業結構。第四次工業革命對中國來說是最大的歷史機遇，在這種變革的關鍵時刻，氫能成為了中國面對能源挑戰實現崛起的可行出路。

創立十余年的S公司，堅信只有持續改進，不斷創新、推動轉型升級，才是實現有質量、有效益、可持續發展的根本出路。2016年筆者加入S公司，著手組建氫能與燃料電池團隊，2017年S公司與金龍客車簽訂戰略合作協議，共同開發氫燃料電池大巴，包括不同長度段的城市公交、旅游客運、團體通勤等車型，雙方共同推動福建省首條氫能公交示范線開通。

2 福建首條氫能公交示范線的背景

2.1 氫能作為新興能源其安全應用已十分成熟

在地球上，氫是大量存在的元素，構成了宇宙質量的75%。氫能是無碳、無毒的綠色能源，氫能從生產到利用過程均能實現零排放、零污染。氫的質量熱值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，為120.1MJ/kg，是汽油的3倍。在標準狀態下，1L氫氣的質量為0.089g。同體積的氫氣，質量約是空氣的1/14，天然氣的1/10。即使有少量的氫氣泄漏也會很快逃逸，而不像汽油蒸汽揮發后滯留在空氣中不易疏散，且其泄露能量和爆炸當量較低，可以說氫氣要比汽油和LNG更加安全。氫氣作為工業氣體已經有很長的使用歷史，安全規范完整，有標準的操作規程。從氫氣的充裝到運輸的各個流程，都配有完善的安全裝置和詳細的操作規范，有效降低儲運危險性。

近年來，氫能源以綠色環保、高能量的鮮明特征，在全球能源格局調整與氣候變化應對中發揮著越來越重要的作用。氫與氧發生化學反應產生電力，此過程生成的物質只有水。目前，制氫、儲氫、加氫和燃料電池等多個環節中的裝備和關鍵技術都有一定的突破，整體催生了氫能經濟的吸引力。

2.2 福建政策引導，探索氫能汽車示范應用

美國、加拿大、日本、韓國等國家，已陸續出臺氫能及燃料電池相關政策及發展規劃。近年來我國也愈發重視氫能發展，以廣東、上海、湖北、江蘇為代表的地方政府持續推出一系列扶持政策，推動氫能產業及企業快速落地。據統計，2019年全國4個直轄市10個省份30個地級市先后出臺相關政策。

福建是全國首個生態文明先行示范區，2017年9月，省政府印發了《福建新能源汽車產業發展規劃（2017—2020）》（閩政【2017】36號），以戰略性、前瞻性的視野，搶占機遇，積極推進我省新能源汽車產業發展，實現汽車行業轉型升級、跨域發展。2019年3月福建工業和信息化廳發布“2019年全省新能源汽車推廣應用和產業發展工作要點的通知”（閩工信裝備【2019】48號），進一步明確福州市積極開展氫燃料動力電池汽車示范應用。福州市高度重視氫能產業布局發展，2019年初成立了福州市氫能產業發展專項工作領導小組，負責制定氫能基礎設施建設、示范運營推廣等發展規劃和實施細則，逐步建立起全市上下共同謀劃推進氫能產業鏈布局的工作機制。

3 燃料電池發動機系統設計開發

3.1 燃料電池發動機系統設計集成

2017年S公司與K客車簽訂戰略合作協議，考慮到目標市場是Z市城市公交使用（最高車速69km/h），兩方協商共同開發首款產品為8.5米氫燃料電池大巴。并明確分工，S公司負責車載30kW燃料電池發動機系統開發，K客車完成燃料電池客車整車結構布置以及整車控制策略研發。

S公司將燃料電池發動機系統，進一步拆分成六大子系統，分別為一燃料電池電堆、二空氣供應系統、三監控系統、四輔助系統、五電能變換設備、六氫氣系統，各個裝置的主要功能和設備詳細構成見表1所示，結構組成見圖1。將系統開發過程分成5個階段：

（1）根據整車功率以及布置要求，開展30kW燃料電池發動機系統集成設計。主要內容包括：總體結構設計，提高系統集成度;完成空氣供應系統、氫氣系統和輔助系統設計選型，實現系統外部接口設計，完成氫、氧、水、電的排放和交互;產品連接電氣原理圖，系統CAN網絡拓撲結構設計，達到提高系統響應速度、能量轉換效率和供電品質;發動機關鍵工藝技術研究，滿足發動機模塊化設計及可靠性、維修性需求。

（2）開展30kW燃料電池發動機熱管理系統設計及評測方法研究。具體內容包括：設計適用于車用氫燃料電池系統的高效熱管理系統，使氫燃料電池在運行時能夠穩定在安全的溫度區間。

（3）開展30kW車載DCDC變換器設計及評測方法研究。具體內容包括：研究30kW 車載DCDC變換器電氣隔離結構，確定隔離結構設計;開展DCDC變換器制造工藝研究，確定關鍵制造工藝;進行適應客車工況的DCDC變換器的適應性研究;完成30kW 車載DCDC變換器的典型試驗和測試試驗，取得相關認證。

（4）開展30kW燃料電池發動機多合一控制器設計及評測方法研究。具體內容包括：研究燃料電池控制器的低功耗、低成本、小體積實現，確定控制器的器件選型;研究燃料電池控制器的電氣隔離結構，在兼顧體積盡量小、穩定可靠、電磁兼容的原則上，確定控制器的硬件結構布局;研究燃料電池控制器的響應速度快、控制精度高、運行穩定實現，確定控制器的制作工藝和材料要求;研究燃料電池控制器的相關測試標準，取得相關認證。

（5）根據整車續航里程以及布置要求，開展車載氫系統集成設計及評測方法研究。具體內容包括：研究車載儲氫瓶組的應力分析，利用仿真軟件隨機振動三個方向、靜力8g加速度沖擊六個方向進行分析計算，確保結構設計可靠性;加氫口、氫系統的典型試驗，如常溫壓力循環試驗、跌落試驗、氣密試驗、疲勞試驗和水壓爆破試驗等;取得供氫系統國家強檢報告，氫氣瓶提供壓力容器相關的所有制造、監檢和質量批次證書。

3.2 燃料電池發動機強檢試驗

2018年11月，S公司研制30kW燃料電池發動機樣機并送國家機動車檢測中心進行強檢試驗，為下一步整車申請公告、工業和信息化部目錄以及公司開發大功率燃料電池發動機在重卡、轎車上應用，積累數據奠定技術基礎。

燃料電池發動機性能需滿足國家標準一GB/T 24554-2009《燃料電池發動機性能試驗方法》，具體項目包含：1 起動特性試驗、2功率試驗、3動態響應特性試驗、4穩態響應特性試驗、5緊急停機功能測試、6氣密性測試、7質量測試、8絕緣電阻測試、9額定輸出功率測試;以及國家標準二GB/T 33978-2017《道路車輛用質子交換膜燃料電池模塊》中高低溫儲存試驗等。2019年1月燃料電池發動機取得強檢性報告，如下圖2。

3.3 整車強檢試驗和公告目錄申請

2019年初金龍客車8.5米氫燃料電池大巴進入整車試裝，整車采用承載式車身、3H金鋼封閉環結構，應用Q700高強鋼，車輛骨架結構安全性優越;整車采用燃料電池+動力電池的電電混合能量匹配方案，搭載高性能質子交換膜燃料電池，具備高安全性、高經濟性、高可靠性;設立氫燃料電池客車專用監控平臺，可對燃料電池系統的運行狀態進行實時動態監測，確保運行安全;整車控制系統采用了多能源耦合能量分配控制技術、燃料電池控制技術、氫-電-結構安全耦合技術等先進技術，具備多重安全保障。

2019年4月8.5米氫燃料電池大巴送國家機動車檢測中心進行強檢試驗，隨后立即申請公告和工業和信息化部推薦目錄、購置稅減免目錄、車船稅減免目錄和環保目錄。2019年5月，工業和信息化部發布《道路機動車輛生產企業及產品（第320批）》，首款8.5米氫燃料公交XMQ6850AGFCEV正式發布。該客車燃料種類為氫氣，燃料電池系統額定功率30kW，驅動電機額定功率59kW，峰值功率150kW。當氫系統不工作時，續航里程為230km;氫系統工作時，續航里程可達460km。如下圖3。2019年7月，工業和信息化部發布《道路機動車輛生產企業及產品（第322批）》，第二款8.5米氫燃料公交XML6855JFCEV10C正式發布。該客車燃料種類為氫氣，當氫系統不工作時，續航里程為120km;氫系統工作時，續航里程可達700km。

4 結論

2019年11月4號6時20分，福建省首批氫燃料電池城市公交上線于Z市616路。氫能公交剛開始示范運營，就引起眾多市民迫不及待趕來嘗鮮，搶先感受這一高科技產品的魅力。如下圖4，晚上20時38分，閩運公交公司袁師傅把奔波了近14個小時的氫燃料電池大巴停在終點站祥州村附近的停車場站，全天總行駛里程198公里，百公里耗氫約4.2kg。按目前70元/公斤的氫氣價格，每公里成本約3元。氫氣被存儲在車頂的儲氫罐中，行駛時，氫氣在燃料電池中，通過催化劑的作用，與空氣中的氧氣發生化學反應，產生電能。

首批氫燃料電池公交正式上線，標志著福建氫能產業發展進入一個新的里程，初步打通涵蓋氫氣制備、儲運、燃料電池系統、整車制造和加氫站建設運營在內的氫燃料電池汽車產業鏈，為下一步規模化推廣應用打下良好的基礎。

參考文獻：

[1]燃料電池汽車：新能源汽車最具戰略意義的突破口/程振彪著。——北京：機械工業出版社，2016.

[2]氫氣生產及熱化學利用/毛宗強，毛志明著——北京：化學工業出版社，2015年.