液氫重卡技術發展的分析與研究

王有財

(北京圖森智途科技有限公司，北京 100000)

0 引言

液氫重卡是一種新型的環保交通工具，具有很高的發展潛力和廣闊的市場前景。隨著全球環保意識的增強和對傳統燃油車的限制加嚴，液氫重卡作為一種新型的綠色能源車輛，備受關注。液氫重卡的出現，不僅能夠滿足環保要求，還能夠提高物流運輸的效率、降低成本，具有重要的社會和經濟意義[1]。本文將在液氫重卡的技術特點、應用現狀、市場前景等方面進行探討，旨在為液氫重卡的發展提供參考和建議。

1 液氫重卡國內外發展現狀

1.1 國內液氫重卡發展現狀

液氫重卡是一種新型的環保交通工具，具有很大的發展潛力和廣闊的市場前景。在國內，隨著環保意識的增強和政府對環保產業的支持，液氫重卡的發展也越來越受到重視。

目前，國內液氫重卡的研發和生產已經初步形成規模。一些大型車企和科研機構開始投入資金和人力進行液氫重卡的研發和生產。例如，中國重汽集團推出了一款液氫重卡，其最大續航里程可達1 000 km，成為國內液氫重卡領域的領先者之一。

此外，國家也出臺了一系列政策支持液氫重卡的發展。例如，國家發改委、工信部等部門聯合發布了《新能源汽車產業發展規劃(2021-2035年)》，明確提出要加快推進液氫燃料電池車商業化應用，推動液氫重卡的發展。

國內液氫重卡的發展還處于起步階段，但是隨著政府的政策支持和市場需求的增加，液氫重卡的發展前景非常廣闊。

1.2 國外液氫重卡發展現狀

液氫重卡在國外的發展已經相對成熟，一些國家已經開始大規模應用液氫重卡。

日本是液氫重卡應用最為廣泛的國家之一，其技術非常成熟，已經應用于物流、城市配送、建筑工地等領域。日本一些大型物流企業如日本郵船、佐川急便等，已經開始大規模使用液氫重卡進行貨物運輸[2]。

美國也在積極推進液氫重卡的應用。美國政府出臺了一系列政策來支持液氫重卡的發展，例如，推出液氫重卡購車補貼、建設液氫加氫站等。目前，美國一些物流企業如UPS、FedEx等，已經開始使用液氫重卡進行貨物運輸。

此外，歐洲、韓國等國家和地區也在積極推進液氫重卡的發展。歐洲一些大型物流企業如德國的DB Schenker、荷蘭的Albert Heijn等，也已經開始使用液氫重卡進行貨物運輸[3]。

未來，液氫重卡將成為國際物流運輸領域的重要交通工具，具有很高的市場潛力和經濟效益。

2 液氫重卡特點

2.1 液氫重卡優點

液氫重卡比氣氫重卡在續駛里程、輕量化、高效率、使用壽命和動力性能方面更具優勢，更加適合中長途干線場景。

(1)輕量化和裝載量更優：以儲氫量80 kg為例，氣氫系統體積為10.6 m3，質量為3.1 t，加氫時間需要40 min；而液氫系統體積為3.2 m3，質量為1.2 t，加氫時間需要10 min。

(2)續駛里程長：由于載氫量更大，液氫重卡續航里程可以超過1 000 km。

(3)效率更高：液氫的冷能利用和燃料電池熱能利用，可使能耗下降30%。

(4)壽命長、性能好：液氫品質高，對燃料電池壽命和性能影響小。

基于以上優點，液氫重卡市場前景廣闊。據預測，重卡市場年銷量維持在110萬～120萬輛，其中氫燃料重卡在2025年銷量可達到7 500輛，2030年可達到30 000輛；示范運營方面，液氫重卡預計在2025年實現百輛級小規模示范運營，2030年實現萬輛級示范運營。隨著液氫重卡在續駛里程、整車TCO方面技術的不斷成熟，成本的不斷降低，在干線物流場景比氣態氫優勢明顯[4]。

2.2 液氫重卡技術不足

液氫重卡雖然具有很多優勢，但是在技術方面仍然存在一些不足之處，主要表現在以下幾個方面：

(1)成本高：由于液氫制備成本高、燃料電池技術成本高等原因，液氫重卡的制造成本較高。

(2)加氫設施不足：液氫重卡需要特殊的加氫設施，目前全球液氫加氫站的數量仍然較少，加氫設施建設和運營成本也較高。

(3)儲氫技術不成熟：液氫需要高壓儲存，但是目前的儲氫技術仍然不夠成熟，存在安全隱患和技術風險。

(4)維護保養成本高：液氫重卡的維護保養成本較高，需要專業的技術人員進行維護和保養，維修費用也較高。

(5)長途運輸受限：液氫重卡的長途運輸受到氫氣儲存和加氫設施的限制，目前主要應用于城市配送和短途物流運輸。

3 液氫重卡的基本構成與工作原理

液氫重卡主要由以下幾個部分組成：

(1)儲存系統：低溫液態儲氫是另一種氫氣的物理儲存方式并且液態儲氫擁有更高的儲氫密度。在-253 ℃(沸點)時液態儲氫密度約為 71.0 g/L，是15 ℃ 時加壓至 70 MPa 的氣態儲氫密度的 1.8倍，密度是氣態氫的 845 倍。通常，低溫液態儲氫是將氫氣壓縮后冷卻至-252 ℃以下，使之液化并存放于絕熱真空儲存器中。

(2)燃料電池系統：液氫重卡采用燃料電池技術，將氫氣和氧氣在燃料電池中反應產生電能，驅動電動機運轉。

液氫重卡的工作原理如下：

(1)加氫：低溫液態儲氫,將氫氣壓縮后冷卻至-252 ℃以下，使之液化并存放于絕熱真空儲存器中。

(2)燃料電池生電：當液氫重卡需要電能時，氫氣從氫氣儲存罐中流入燃料電池，與氧氣在燃料電池中反應，產生電能。

(3)電能轉化：燃料電池產生的電能在控制系統的指令下，轉化為電動機的機械能，驅動車輛運轉。

(4)排放：液氫重卡的排放物只有水，不會產生有害氣體和顆粒物，具有很高的環保性。

綜上所述，液氫重卡的基本構成包括氫氣儲存系統、燃料電池系統、電動驅動系統和控制系統等。液氫重卡的工作原理是使氫氣和氧氣在燃料電池中反應產生電能，驅動電動機運轉，實現車輛的驅動和運轉。

圖1 液氫重卡原理圖

圖2 液氫重卡總布置圖

圖3 燃料電池堆工作原理

4 燃料電池堆工作原理

燃料電池堆是一種將化學能轉化為電能的裝置。它的工作原理類似于電池，但不同于普通電池的是，燃料電池堆不需要儲存電能，而是通過持續地供應燃料和氧氣來產生電能[5]。

燃料電池堆的核心是膜電極組件，包括陽極、陰極和電解質膜。燃料電池堆的工作過程主要分為以下幾個步驟：

(1)氫氣在陽極處發生氧化反應，產生電子和氫離子。反應式為：H2→2H++2e-。

(2)氫離子通過電解質膜向陰極遷移，電子則通過外部電路向陰極遷移，產生電流。

(3)氧氣在陰極處發生還原反應，與氫離子結合生成水。反應式為：O2+4H++4e-→2H2O。產生的水排出燃料電池堆，作為廢水排放。

燃料電池堆的工作過程中，氫氣和氧氣在陽極和陰極處發生氧化還原反應，通過電解質膜分離，產生電能和水。燃料電池堆的電能輸出可以通過串聯或并聯多個燃料電池堆來增加電壓和電流，以滿足不同的電力需求。

表1 某燃料電池系統性能參數

5 液態儲氫技術

液態儲氫技術是將氫氣通過壓縮、制冷等方式，將其轉化為液態氫儲存的技術。液態儲氫技術具有以下幾個特點：

(1)儲氫密度高：液態氫的密度比氣態氫高很多，可以將燃料的儲存密度提高到更高的水平，從而提高燃料儲存的能量密度。

(2)體積小：液態氫具有較小的體積，可以減小燃料儲存罐的體積，降低車輛的自重和占用空間。

(3)能量轉換效率高：通過燃料的儲存能量密度，可以提高燃料電池系統的能量轉換效率和車輛的續航里程。

(4)加氫時間短：液態氫可以進行快速加氫，可以滿足車輛的高效加氫需求[6]。

液態儲氫技術的主要缺點有：

(1)儲存成本高：液態儲氫技術需要進行氫氣的壓縮、制冷等處理，成本較高。

(2)安全隱患大：液態氫具有較低的沸點和易燃性，需要采取特殊的安全措施進行儲存和運輸，否則存在安全隱患。

(3)存在泄漏風險：液態氫存在氫氣泄漏的風險，需要采取特殊的泄漏控制措施。

綜上所述，液態儲氫技術具有儲氫密度高、體積小、能量轉換效率高、加氫快速等優點，但是成本高、安全隱患大、氫氣泄漏等問題也需要引起重視。在液態儲氫技術的應用中，需要采取一系列的技術措施和安全措施，以確保氫氣的安全儲存和運輸[7]。

在設計研發過程中，氫系統需要體現供氫壓力、罐壓力、罐液位、罐警報電壓、供氫出口溫度、流量、液氫SOC等，燃料電池啟動除了車輛高低壓信號正常外，還需供氫正常，要求供氫壓力達到1 000 kPa以上，液氫SOC不低于5%，罐警報電壓在0～5 V等。

圖4 供氫壓力變化

圖5 液氫SOC%變化

6 結語

液氫重卡是一種基于燃料電池技術的新型重型商用車輛。目前液氫重卡技術已經取得了一定進展，燃料電池系統、儲氫技術、車輛控制系統等方面都已經有了較為成熟的技術方案。但是，液氫重卡的成本、儲氫安全等問題仍然是制約其發展的主要因素。

液氫重卡具有零排放、高效能、低噪聲等優點，是未來商用車輛發展的重要方向之一。隨著液氫重卡技術的不斷成熟和政策的支持，液氫重卡有望在未來逐漸替代傳統燃油重卡，成為商用車輛的主流[8]。

液氫與新能源發電結合建立電氫體系，可實現新能源優勢互補良性發展，并且在交通能源、儲能、工業原料和工業特氣等領域都將有廣泛的應用。

綜上所述，液氫重卡是商用車輛領域的重要發展方向之一，具有廣闊的市場前景和技術創新空間。未來需要加強液氫重卡技術的研發和產業化投入，推動液氫重卡技術的發展。