液氫重卡技術(shù)發(fā)展的分析與研究

王有財(cái)

(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(huán)保交通工具，具有很高的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。隨著全球環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和對(duì)傳統(tǒng)燃油車(chē)的限制加嚴(yán)，液氫重卡作為一種新型的綠色能源車(chē)輛，備受關(guān)注。液氫重卡的出現(xiàn)，不僅能夠滿(mǎn)足環(huán)保要求，還能夠提高物流運(yùn)輸?shù)男?、降低成本，具有重要的社?huì)和經(jīng)濟(jì)意義[1]。本文將在液氫重卡的技術(shù)特點(diǎn)、應(yīng)用現(xiàn)狀、市場(chǎng)前景等方面進(jìn)行探討，旨在為液氫重卡的發(fā)展提供參考和建議。

1 液氫重卡國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 國(guó)內(nèi)液氫重卡發(fā)展現(xiàn)狀

液氫重卡是一種新型的環(huán)保交通工具，具有很大的發(fā)展?jié)摿蛷V闊的市場(chǎng)前景。在國(guó)內(nèi)，隨著環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)和政府對(duì)環(huán)保產(chǎn)業(yè)的支持，液氫重卡的發(fā)展也越來(lái)越受到重視。

目前，國(guó)內(nèi)液氫重卡的研發(fā)和生產(chǎn)已經(jīng)初步形成規(guī)模。一些大型車(chē)企和科研機(jī)構(gòu)開(kāi)始投入資金和人力進(jìn)行液氫重卡的研發(fā)和生產(chǎn)。例如，中國(guó)重汽集團(tuán)推出了一款液氫重卡，其最大續(xù)航里程可達(dá)1 000 km，成為國(guó)內(nèi)液氫重卡領(lǐng)域的領(lǐng)先者之一。

此外，國(guó)家也出臺(tái)了一系列政策支持液氫重卡的發(fā)展。例如，國(guó)家發(fā)改委、工信部等部門(mén)聯(lián)合發(fā)布了《新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)劃(2021-2035年)》，明確提出要加快推進(jìn)液氫燃料電池車(chē)商業(yè)化應(yīng)用，推動(dòng)液氫重卡的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)液氫重卡的發(fā)展還處于起步階段，但是隨著政府的政策支持和市場(chǎng)需求的增加，液氫重卡的發(fā)展前景非常廣闊。

1.2 國(guó)外液氫重卡發(fā)展現(xiàn)狀

液氫重卡在國(guó)外的發(fā)展已經(jīng)相對(duì)成熟，一些國(guó)家已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模應(yīng)用液氫重卡。

日本是液氫重卡應(yīng)用最為廣泛的國(guó)家之一，其技術(shù)非常成熟，已經(jīng)應(yīng)用于物流、城市配送、建筑工地等領(lǐng)域。日本一些大型物流企業(yè)如日本郵船、佐川急便等，已經(jīng)開(kāi)始大規(guī)模使用液氫重卡進(jìn)行貨物運(yùn)輸[2]。

美國(guó)也在積極推進(jìn)液氫重卡的應(yīng)用。美國(guó)政府出臺(tái)了一系列政策來(lái)支持液氫重卡的發(fā)展，例如，推出液氫重卡購(gòu)車(chē)補(bǔ)貼、建設(shè)液氫加氫站等。目前，美國(guó)一些物流企業(yè)如UPS、FedEx等，已經(jīng)開(kāi)始使用液氫重卡進(jìn)行貨物運(yùn)輸。

此外，歐洲、韓國(guó)等國(guó)家和地區(qū)也在積極推進(jìn)液氫重卡的發(fā)展。歐洲一些大型物流企業(yè)如德國(guó)的DB Schenker、荷蘭的Albert Heijn等，也已經(jīng)開(kāi)始使用液氫重卡進(jìn)行貨物運(yùn)輸[3]。

未來(lái)，液氫重卡將成為國(guó)際物流運(yùn)輸領(lǐng)域的重要交通工具，具有很高的市場(chǎng)潛力和經(jīng)濟(jì)效益。

2 液氫重卡特點(diǎn)

2.1 液氫重卡優(yōu)點(diǎn)

液氫重卡比氣氫重卡在續(xù)駛里程、輕量化、高效率、使用壽命和動(dòng)力性能方面更具優(yōu)勢(shì)，更加適合中長(zhǎng)途干線場(chǎng)景。

(1)輕量化和裝載量更優(yōu)：以?xún)?chǔ)氫量80 kg為例，氣氫系統(tǒng)體積為10.6 m3，質(zhì)量為3.1 t，加氫時(shí)間需要40 min；而液氫系統(tǒng)體積為3.2 m3，質(zhì)量為1.2 t，加氫時(shí)間需要10 min。

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

(3)效率更高：液氫的冷能利用和燃料電池?zé)崮芾?，可使能耗下?0%。

(4)壽命長(zhǎng)、性能好：液氫品質(zhì)高，對(duì)燃料電池壽命和性能影響小。

基于以上優(yōu)點(diǎn)，液氫重卡市場(chǎng)前景廣闊。據(jù)預(yù)測(cè)，重卡市場(chǎng)年銷(xiāo)量維持在110萬(wàn)～120萬(wàn)輛，其中氫燃料重卡在2025年銷(xiāo)量可達(dá)到7 500輛，2030年可達(dá)到30 000輛；示范運(yùn)營(yíng)方面，液氫重卡預(yù)計(jì)在2025年實(shí)現(xiàn)百輛級(jí)小規(guī)模示范運(yùn)營(yíng)，2030年實(shí)現(xiàn)萬(wàn)輛級(jí)示范運(yùn)營(yíng)。隨著液氫重卡在續(xù)駛里程、整車(chē)TCO方面技術(shù)的不斷成熟，成本的不斷降低，在干線物流場(chǎng)景比氣態(tài)氫優(yōu)勢(shì)明顯[4]。

2.2 液氫重卡技術(shù)不足

液氫重卡雖然具有很多優(yōu)勢(shì)，但是在技術(shù)方面仍然存在一些不足之處，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：

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

(2)加氫設(shè)施不足：液氫重卡需要特殊的加氫設(shè)施，目前全球液氫加氫站的數(shù)量仍然較少，加氫設(shè)施建設(shè)和運(yùn)營(yíng)成本也較高。

(3)儲(chǔ)氫技術(shù)不成熟：液氫需要高壓儲(chǔ)存，但是目前的儲(chǔ)氫技術(shù)仍然不夠成熟，存在安全隱患和技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

(4)維護(hù)保養(yǎng)成本高：液氫重卡的維護(hù)保養(yǎng)成本較高，需要專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，維修費(fèi)用也較高。

(5)長(zhǎng)途運(yùn)輸受限：液氫重卡的長(zhǎng)途運(yùn)輸受到氫氣儲(chǔ)存和加氫設(shè)施的限制，目前主要應(yīng)用于城市配送和短途物流運(yùn)輸。

3 液氫重卡的基本構(gòu)成與工作原理

液氫重卡主要由以下幾個(gè)部分組成：

(1)儲(chǔ)存系統(tǒng)：低溫液態(tài)儲(chǔ)氫是另一種氫氣的物理儲(chǔ)存方式并且液態(tài)儲(chǔ)氫擁有更高的儲(chǔ)氫密度。在-253 ℃(沸點(diǎn))時(shí)液態(tài)儲(chǔ)氫密度約為 71.0 g/L，是15 ℃ 時(shí)加壓至 70 MPa 的氣態(tài)儲(chǔ)氫密度的 1.8倍，密度是氣態(tài)氫的 845 倍。通常，低溫液態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)存器中。

(2)燃料電池系統(tǒng)：液氫重卡采用燃料電池技術(shù)，將氫氣和氧氣在燃料電池中反應(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

液氫重卡的工作原理如下：

(1)加氫：低溫液態(tài)儲(chǔ)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(chǔ)存器中。

(2)燃料電池生電：當(dāng)液氫重卡需要電能時(shí)，氫氣從氫氣儲(chǔ)存罐中流入燃料電池，與氧氣在燃料電池中反應(yīng)，產(chǎn)生電能。

(3)電能轉(zhuǎn)化：燃料電池產(chǎn)生的電能在控制系統(tǒng)的指令下，轉(zhuǎn)化為電動(dòng)機(jī)的機(jī)械能，驅(qū)動(dòng)車(chē)輛運(yùn)轉(zhuǎn)。

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

綜上所述，液氫重卡的基本構(gòu)成包括氫氣儲(chǔ)存系統(tǒng)、燃料電池系統(tǒng)、電動(dòng)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)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(yīng)產(chǎn)生電能，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)車(chē)輛的驅(qū)動(dòng)和運(yùn)轉(zhuǎn)。

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(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置。它的工作原理類(lèi)似于電池，但不同于普通電池的是，燃料電池堆不需要儲(chǔ)存電能，而是通過(guò)持續(xù)地供應(yīng)燃料和氧氣來(lái)產(chǎn)生電能[5]。

燃料電池堆的核心是膜電極組件，包括陽(yáng)極、陰極和電解質(zhì)膜。燃料電池堆的工作過(guò)程主要分為以下幾個(gè)步驟：

(1)氫氣在陽(yáng)極處發(fā)生氧化反應(yīng)，產(chǎn)生電子和氫離子。反應(yīng)式為：H2→2H++2e-。

(2)氫離子通過(guò)電解質(zhì)膜向陰極遷移，電子則通過(guò)外部電路向陰極遷移，產(chǎn)生電流。

(3)氧氣在陰極處發(fā)生還原反應(yīng)，與氫離子結(jié)合生成水。反應(yīng)式為：O2+4H++4e-→2H2O。產(chǎn)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(guò)程中，氫氣和氧氣在陽(yáng)極和陰極處發(fā)生氧化還原反應(yīng)，通過(guò)電解質(zhì)膜分離，產(chǎn)生電能和水。燃料電池堆的電能輸出可以通過(guò)串聯(lián)或并聯(lián)多個(gè)燃料電池堆來(lái)增加電壓和電流，以滿(mǎn)足不同的電力需求。

表1 某燃料電池系統(tǒng)性能參數(shù)

5 液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)

液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)是將氫氣通過(guò)壓縮、制冷等方式，將其轉(zhuǎn)化為液態(tài)氫儲(chǔ)存的技術(shù)。液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有以下幾個(gè)特點(diǎn)：

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

(2)體積?。阂簯B(tài)氫具有較小的體積，可以減小燃料儲(chǔ)存罐的體積，降低車(chē)輛的自重和占用空間。

(3)能量轉(zhuǎn)換效率高：通過(guò)燃料的儲(chǔ)存能量密度，可以提高燃料電池系統(tǒng)的能量轉(zhuǎn)換效率和車(chē)輛的續(xù)航里程。

(4)加氫時(shí)間短：液態(tài)氫可以進(jìn)行快速加氫，可以滿(mǎn)足車(chē)輛的高效加氫需求[6]。

液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的主要缺點(diǎn)有：

(1)儲(chǔ)存成本高：液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)需要進(jìn)行氫氣的壓縮、制冷等處理，成本較高。

(2)安全隱患大：液態(tài)氫具有較低的沸點(diǎn)和易燃性，需要采取特殊的安全措施進(jìn)行儲(chǔ)存和運(yùn)輸，否則存在安全隱患。

(3)存在泄漏風(fēng)險(xiǎn)：液態(tài)氫存在氫氣泄漏的風(fēng)險(xiǎn)，需要采取特殊的泄漏控制措施。

綜上所述，液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)具有儲(chǔ)氫密度高、體積小、能量轉(zhuǎn)換效率高、加氫快速等優(yōu)點(diǎn)，但是成本高、安全隱患大、氫氣泄漏等問(wèn)題也需要引起重視。在液態(tài)儲(chǔ)氫技術(shù)的應(yīng)用中，需要采取一系列的技術(shù)措施和安全措施，以確保氫氣的安全儲(chǔ)存和運(yùn)輸[7]。

在設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中，氫系統(tǒng)需要體現(xiàn)供氫壓力、罐壓力、罐液位、罐警報(bào)電壓、供氫出口溫度、流量、液氫SOC等，燃料電池啟動(dòng)除了車(chē)輛高低壓信號(hào)正常外，還需供氫正常，要求供氫壓力達(dá)到1 000 kPa以上，液氫SOC不低于5%，罐警報(bào)電壓在0～5 V等。

圖4 供氫壓力變化

圖5 液氫SOC%變化

6 結(jié)語(yǔ)

液氫重卡是一種基于燃料電池技術(shù)的新型重型商用車(chē)輛。目前液氫重卡技術(shù)已經(jīng)取得了一定進(jìn)展，燃料電池系統(tǒng)、儲(chǔ)氫技術(shù)、車(chē)輛控制系統(tǒng)等方面都已經(jīng)有了較為成熟的技術(shù)方案。但是，液氫重卡的成本、儲(chǔ)氫安全等問(wèn)題仍然是制約其發(fā)展的主要因素。

液氫重卡具有零排放、高效能、低噪聲等優(yōu)點(diǎn)，是未來(lái)商用車(chē)輛發(fā)展的重要方向之一。隨著液氫重卡技術(shù)的不斷成熟和政策的支持，液氫重卡有望在未來(lái)逐漸替代傳統(tǒng)燃油重卡，成為商用車(chē)輛的主流[8]。

液氫與新能源發(fā)電結(jié)合建立電氫體系，可實(shí)現(xiàn)新能源優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)良性發(fā)展，并且在交通能源、儲(chǔ)能、工業(yè)原料和工業(yè)特氣等領(lǐng)域都將有廣泛的應(yīng)用。

綜上所述，液氫重卡是商用車(chē)輛領(lǐng)域的重要發(fā)展方向之一，具有廣闊的市場(chǎng)前景和技術(shù)創(chuàng)新空間。未來(lái)需要加強(qiáng)液氫重卡技術(shù)的研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化投入，推動(dòng)液氫重卡技術(shù)的發(fā)展。