氫燃料商用車應(yīng)用場景分析及發(fā)展建議 促進技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2015年5月，國務(wù)院印發(fā)的《中國制造 2025》明確提出燃料電池汽車發(fā)展規(guī)劃，將氫燃料電池納入重點領(lǐng)域技術(shù)。2016 年 10 月，中國汽車工程學(xué)會發(fā)布的《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》對我國氫燃料電池汽車的發(fā)展愿景與目標(biāo)、技術(shù)路線進行了規(guī)劃。2020年4月，財政部、工業(yè)和信息化部、科技部、發(fā)展改革委發(fā)布《關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策的通知》(財建〔2020〕86號)，明確提出將原有的中央財政對燃料電池購置補貼調(diào)整為對示范城市的獎勵，本著“以獎代補、擇優(yōu)支持”的原則，重點支持符合要求的地區(qū)氫燃料電池汽車技術(shù)攻關(guān)和產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用示范。

雖然我國氫燃料電池方面規(guī)劃起步較早，但燃料電池汽車目前還處于產(chǎn)業(yè)化初期，產(chǎn)品相關(guān)性能與傳統(tǒng)車有差距。近年來，戴姆勒等國際氫燃料汽車先行者，打算暫時放棄氫燃料在乘用車上的發(fā)展，轉(zhuǎn)向以氫燃料電池替代大馬力柴油機的商用車領(lǐng)域。優(yōu)先發(fā)展商用車的原因在于：一方面，公共領(lǐng)域平均成本低，能夠起到良好社會推廣效果，形成規(guī)模后可以帶動燃料電池成本和氫氣成本下降;另一方面，商用車行駛在固定線路上且車輛集中，建設(shè)配套加氫站可行性強。當(dāng)加氫站數(shù)量增加、氫氣和燃料電池成本降低時，又能支撐更多燃料電池汽車應(yīng)用。目前各地已先后在公交、城市物流車、城市管理服務(wù)用車等區(qū)域性應(yīng)用場景進行示范運營。

一、氫燃料電池商用車的特點

1.加注時間短、續(xù)駛里程長。

以12米公交車實際運行的數(shù)據(jù)為例，加注/充電時間和續(xù)航性能對比如表1所示。

為了加大續(xù)航里程，純電動汽車需要攜帶更多的鋰電池，導(dǎo)致汽車的成本、自重上升。此外，汽車運行過程中容易出現(xiàn)電量驟降等現(xiàn)象，嚴(yán)重影響續(xù)航里程。氫燃料電池汽車增加續(xù)航里程只需增加氫氣的攜帶量，汽車的自重影響很小，續(xù)航里程能夠得到保證。

2.無污染、零排放。

氫燃料電池的基本原理就是通過電解水的逆反應(yīng)，把氫原子和氧原子分別釋放給電池的正極和負極，氫原子負極與電解質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后，放出電子抵達正極，與氧原子重新結(jié)合，產(chǎn)生水。就其基本原理來看，氫燃料電池就是一個發(fā)電裝置，它發(fā)電時除了產(chǎn)生熱量與水，沒有其他廢棄物和污染物。

3.環(huán)境適應(yīng)性強

氫燃料電池車與純電動車的環(huán)境適應(yīng)性對比如表2所示。

二、氫燃料電池車的應(yīng)用場景分析

氫燃料電池車相對純電動車具有加注時間短、續(xù)駛里程長、低溫環(huán)境適應(yīng)性強等特點，但受制于當(dāng)前儲氫、加氫基礎(chǔ)設(shè)施及燃料電池發(fā)動機水平不足以支持長途、大功率需求場景。綜合分析適用于當(dāng)前氫燃料電池車型的應(yīng)用場景，主要有以下六個應(yīng)用場景。

1.城市客車、城郊及旅游客車應(yīng)用場景：城市客車主要以市內(nèi)各支、干線公交應(yīng)用場景為主。其線路固定，路況較好，一般市內(nèi)公交車單程運行距離約20km左右，一天總運行里程在200km以下，而行駛速度，高峰時約10km/h,平峰15～20km/h,自由流狀態(tài)下25～30km/h;城郊客車應(yīng)用場景主要以城市主城區(qū)與城市郊區(qū)及短途城際線路為主。相比城市客車，城郊客車運營距離更長，路況更加復(fù)雜。旅游客車相較城郊客車，其運營距離更長，對道路、氣候環(huán)境的適應(yīng)性要求更高，要求其既可以在高速路面行駛，也可以在偏遠地區(qū)和鄉(xiāng)村道路上運行。針對上述城市、城郊及旅游客車應(yīng)用場景特點，燃料電池城市客車匹配50～120kW燃料電池發(fā)動機即可滿足運行需求。

2.市政環(huán)衛(wèi)應(yīng)用場景：從功能上主要分為運輸型和作業(yè)型兩類，其中運輸型車以壓縮式垃圾車/車廂可卸式垃圾車等為主，現(xiàn)有純電動產(chǎn)品可滿足運輸型車輛絕大部分使用需求，而作業(yè)型車以洗掃、濕掃、高壓清洗、低壓清洗、抑塵等應(yīng)用場景為主。日運營里程短，但載重大，作業(yè)車速低于10km/h,作業(yè)時間較長，上裝功率需求30～40kW，需要持續(xù)大功率輸出，氫燃料環(huán)衛(wèi)車可滿足需要。

3.城市物流應(yīng)用場景：主要以快遞快運、日用百貨、家具配送、搬家、五金建材、果蔬肉奶、酒水飲料等應(yīng)用場景為主，其中快遞快運、日用百貨、家具配送等計劃性物流用戶每日運距150～200km以內(nèi)，一般載重2噸左右，現(xiàn)有的純電動輕卡產(chǎn)品可滿足用戶絕大部分使用需求。而搬家、五金建材為代表的非計劃性物流、酒水飲料為代表的重載運輸、果蔬肉奶為代表的冷藏運輸，用戶日運距需求大于200km，一般載重3～4噸及以上，適合于氫燃料電池輕卡產(chǎn)品。

4.城際物流應(yīng)用場景：主要集中在京津冀/長三角/珠三角/成渝等城市群，客戶典型工況特點：主要運行于高速公路和國道、省道上，具有單邊運距長、時效性高等特點，以快遞快運、大件運輸、綠通運輸、工業(yè)原材料運輸為主，常用載質(zhì)量9～14噸、日均運營里程300～500km，氫燃料中重卡可較好滿足。

5.城市渣土自卸車應(yīng)用場景:主要運輸城市基建、房地產(chǎn)開槽、河道修建、道路修建所需原料及產(chǎn)生的廢料，運輸品以渣土、建筑垃圾、砂石料為主。渣土運輸場景線路相對固定，載質(zhì)量25～35噸，日運營里程為200～300km，平均運行車速30～50km/h。針對上述特點，氫燃料電池自卸車搭載100kW及以上的燃料電池發(fā)動機即可滿足整車功率需求，日加氫一次可滿足車輛全天運營需求。

6.倒短牽引車應(yīng)用場景：車輛主要運輸商品車成品及半成品、煤炭、鋼材、生活必需品、建筑材料等大宗貨物，載質(zhì)量約25～35噸，短距離往返于物流園和大型企業(yè)之間及火車站、碼頭等，日均運營里程100～200km，平均車速30～60km/h。運行路線相對固定方便加氫，根據(jù)應(yīng)用場景特點，氫燃料電池牽引車搭載100kW及以上的燃料電池發(fā)動機即可滿足整車功率需求。

總之，相比純電動車型，氫燃料電池車克服了能源補充時間長、低溫環(huán)境適應(yīng)性的問題，提高了營運效率，與純電動車型應(yīng)用場景形成互補;氫燃料電池車型更適用于路線相對固定、加氫便利等區(qū)域性應(yīng)用場景。

按照“氫電互補、宜氫則氫、宜電則電”的原則，同時結(jié)合各場景的應(yīng)用潛力，依據(jù)是否有應(yīng)用車型，同時確定投資意愿的主體，以北京市為例，建議將氫燃料電池車輛推廣應(yīng)用分為兩個個階段：

第一階段：公共領(lǐng)域示范階段(2022年前)

首先以公交專線、環(huán)衛(wèi)等公共領(lǐng)域及園區(qū)物流、企業(yè)班車等場景率先進行示范，以2022年北京冬奧會為關(guān)鍵時間節(jié)點，實現(xiàn)需求驅(qū)動和科技驅(qū)動的雙引領(lǐng)，實現(xiàn)氫能產(chǎn)業(yè)的躍升式發(fā)展。氫燃料電池車輛產(chǎn)品推廣8～12米公交車、11米旅游車、城市物流、8噸/12噸/18噸環(huán)衛(wèi)車等;在此基礎(chǔ)上，圍繞冬奧場景開展9米/9.5米/12米系列旅游客車規(guī)模應(yīng)用。同步開展圍繞城市場景的重型燃料電池渣土車、牽引車等開發(fā)及應(yīng)用示范工作。例如，北京384路公交已投入運營5輛12米氫燃料電池城市客車，有比較成熟的運營經(jīng)驗，未來該線路車輛可全部替換，打造成為為氫燃料電池客車專線。

第二階段：商業(yè)化領(lǐng)域推廣階段(2023-2025年)

隨著典型領(lǐng)域示范階段的培育，不斷提高產(chǎn)品技術(shù)水平，車輛購置及燃料成本進一步下降，在政府給予一定支持的基礎(chǔ)上，基本具備規(guī)?；茝V的可行性。在第一階段的基礎(chǔ)上，以京津冀協(xié)同發(fā)展為引領(lǐng)，結(jié)合公共領(lǐng)域的車輛更新周期進度，實現(xiàn)規(guī)模化推廣。加大城建渣土車、牽引車等重型商用車市場進行氫燃料電池汽車示范運營。應(yīng)用于城市物流、冷鏈配送、城市內(nèi)砂石骨料、渣土運輸及混凝土攪拌等場景。到2025年底，初步形成氫燃料電池車輛關(guān)鍵零部件和裝備制造產(chǎn)業(yè)集群。

車輛推廣應(yīng)用離不開產(chǎn)業(yè)鏈的支撐，需要通過打造氫燃料商用車商業(yè)化運營平臺，把制氫、儲氫、運氫、加氫和整車生產(chǎn)企業(yè)和運營企業(yè)聯(lián)合起來，實現(xiàn)商業(yè)化運營。在這方面，北京市具備良好的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)。座落在北京的燕山石化的工業(yè)副產(chǎn)氫產(chǎn)能未來將達到15萬噸/年，能夠滿足2～3萬輛氫燃料商用車的使用需求;北京天海公司正在加快推進IV型瓶的研發(fā)驗證和生產(chǎn)準(zhǔn)備工作;億華通已經(jīng)推出100kW的氫燃料電池發(fā)動機產(chǎn)品。

三、國內(nèi)氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)存在問題及建議

當(dāng)前我國已進入氫燃料商用車商業(yè)化初期，氫燃料電池車產(chǎn)業(yè)發(fā)展和市場推廣應(yīng)用目前存在四個發(fā)展瓶頸：一是質(zhì)優(yōu)價廉的氫能供應(yīng)和加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)不足;二是商業(yè)化推廣模式尚未建立;三是部分關(guān)鍵零部件尚未自主;四是標(biāo)準(zhǔn)體系尚未形成。建議從以下五個方面促進氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.做好頂層設(shè)計，完善政策體系

立足現(xiàn)有產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，制定并發(fā)布氫能及氫燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃，明確發(fā)展方向及目標(biāo)，為各相關(guān)企業(yè)產(chǎn)業(yè)落地發(fā)展樹立信心、提供支持。建立健全氫燃料電池相關(guān)政策法規(guī)體系，從產(chǎn)業(yè)規(guī)劃出發(fā)，制定涵蓋氫氣制、儲、運、加、燃料電池汽車推廣扶持、車輛年檢等全產(chǎn)業(yè)鏈，全生命周期的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及管理辦法，保障產(chǎn)業(yè)健康規(guī)范成長。

2.加快產(chǎn)學(xué)研融合，促進全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展

通過匯聚優(yōu)勢研發(fā)資源，針對產(chǎn)業(yè)發(fā)展存在的關(guān)鍵共性問題，開展集中資源整合與技術(shù)創(chuàng)新攻關(guān)，全面提升氫能相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)能力及產(chǎn)業(yè)化水平，促進氫燃料電池商用車的健康發(fā)展。通過氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)集聚，可以促進氫能燃料電池全產(chǎn)業(yè)鏈的快速發(fā)展，有效降低成本。

3.商用車規(guī)模應(yīng)用帶動加氫站建設(shè)，降低氫氣與燃料電池成本

我國燃料電池汽車發(fā)展路徑基本明確，即通過商用車發(fā)展，規(guī)模化降低燃料電池和氫氣成本;結(jié)合區(qū)域能源結(jié)構(gòu)特點，發(fā)揮資源優(yōu)勢，挖掘本地區(qū)氫能保障潛力，前期以能源保障為主，灰氫、藍氫、綠氫均可利用，隨著可再生能源成本降低及碳捕捉技術(shù)的完善，逐步向藍氫、綠氫轉(zhuǎn)化;氫燃料電池商用車的規(guī)模應(yīng)用帶動加氫站配套設(shè)施建設(shè)。

規(guī)模化是提質(zhì)降本的關(guān)鍵。國際氫能委員會2017年發(fā)布的報告預(yù)測，到2030年氫燃料電池形成規(guī)模化生產(chǎn)后，燃料電池發(fā)動機成本有望降到40美元/kW(按額定功率計算約70-80美元/kW)。美國能源部也預(yù)測，當(dāng)產(chǎn)量擴大十倍，整車成本還可下降 23%; 疊加系統(tǒng)成本的降幅，綜合成本下降幅度將超過45%。根據(jù)國內(nèi)相關(guān)機構(gòu)和企業(yè)的研究分析，按照每輛車使用60kW(額定功率)的氫燃料電池發(fā)動機測算，當(dāng)產(chǎn)量從1000套升至1萬套時，氫燃料電池發(fā)動機將從9000元/kW降至 2200元/kW，降幅達75.6%,;提升至10萬套時，氫燃料電池發(fā)動機成本將進一步降至600元/kW。

4.加強研發(fā)投入，確保核心技術(shù)自主可控

政府引導(dǎo)加大氫燃料電池基礎(chǔ)科研投入，突破核心材料和關(guān)鍵部件的技術(shù)瓶頸，促進產(chǎn)品國產(chǎn)化。提高工業(yè)副產(chǎn)氣制氫、電解水制氫、化石燃料制氫、可再生能源制氫等制氫技術(shù)，降低氫氣制備成本;創(chuàng)新高壓氣態(tài)及低溫液態(tài)儲、運氫方式，研發(fā)性能更加優(yōu)異的儲氫材料，提出更加完善的車載氫系統(tǒng)安全及檢測標(biāo)準(zhǔn);創(chuàng)新氫氣拖車運輸、管道運輸及液氫運輸方式和技術(shù)，不斷提升氫氣儲運效率、降低儲運成本;在整車平臺產(chǎn)品方面，開展整車能量管理、能耗優(yōu)化、動態(tài)響應(yīng)、熱平衡、故障診斷與容錯控制等關(guān)鍵集成技術(shù);在燃料電池發(fā)動機方面開展長壽命燃料電池發(fā)動機及其關(guān)鍵核心零部件、低成本燃料電池?zé)犭娐?lián)供系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、輔助系統(tǒng)等研究與開發(fā)，最終實現(xiàn)氫燃料電池整車及燃料電池系統(tǒng)在技術(shù)先進性、可靠性、成本優(yōu)勢、產(chǎn)品平臺化等方面與國際先進水平同步;結(jié)合整車運營情況制定加氫站規(guī)劃、建設(shè)意見，研發(fā)提升加氫站氫氣壓縮機、高壓儲氫罐及氫氣加注機等核心設(shè)備技術(shù)，創(chuàng)新加氫站站控系統(tǒng)，提升氫氣加注安全。

5.加快標(biāo)準(zhǔn)制定，促進技術(shù)進步與產(chǎn)業(yè)發(fā)展

2020年4月10日，國家能源局發(fā)布的《中華人民共和國能源法(征求意見稿)》中首次將氫能列為能源范疇。在氫氣運輸、儲存、使用、管理等環(huán)節(jié)，應(yīng)盡快提出可操作性的方案措施。國家法規(guī)需加強對氫氣的存儲與運輸提出的監(jiān)管要求，在執(zhí)行層面明確責(zé)任主體、完善管理體系;減少標(biāo)準(zhǔn)體系建立的阻礙，盡快制定20MPa以上高壓氣氫、液氫、管道運輸?shù)认嚓P(guān)標(biāo)準(zhǔn)和法律法規(guī)。同時，優(yōu)化加氫站建設(shè)審批程序。

隨著氫能源保障體系健全、基礎(chǔ)設(shè)施逐步到位，規(guī)?；瘧?yīng)用牽引技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)業(yè)升級，氫燃料電池商用車將從以圍繞城市場景為主題的應(yīng)用市場，向長途干線物流、跨區(qū)域的貨運和客運市場延伸，是替代中重型柴油車的較好選擇。

(北汽集團總經(jīng)理 張夕勇)