浅谈氢能公交的发展应用与探索

摘要：

近年来，城市交通运输能源结构逐渐向低碳化转型，氢能已成为汽车行业发展的新方向。作为真正意义上的“零排放，无污染”载运工具，氢燃料电池汽车的研发与量产必将成为全球汽车工业领域的一场新革命，而公交领域则是氢能源客车推广应用的一块重要“试验田”。关键词：新能源；氢燃料电池；零排放； 

一、技术概况

氢燃料电池汽车具有性能佳、转化效率高、加注时间短、续航里程长等优势，是未来新能源清洁动力汽车的必然发展方向，各发达和地区都在积极布局抢占行业发展先机。在我国，氢燃料电池汽车也已从公交车开始，真正进入到我们生活中，从此开启“氢能时代”的体验。上海作为全国首批氢燃料电池汽车示范城市、发布地方性氢能源汽车补贴政策的城市，走在了全国氢燃料电池汽车推广应用的前沿。若留心观察，可发现氢燃料电池公交车穿梭于上海各街头小巷，尽管“样貌”与普通公交车并无太大差异，但“内里”却更加，是当前深受市民欢迎的新型绿色交通工具。

近年来，临港新片区以习近平新时代特色社会主义思想为指导，贯彻绿色低碳发展理念，立足率先实现“碳达峰、碳中和”目标，推进氢能多领域应用和基础设施建设，构建“场景多样、系统完备、运行”的氢能示范应用体系。根据《临港新片区打造高质量氢能示范应用场景实施方案（2021-2025年）》，上海临港公交公司落实绿色出行理念和公交优先战略，十四五末将致力实现氢能源车辆的规模化应用，并在加氢站建设上有所突破，从而带动和氢能产业在公交领域的发展。

定位于“上海氢能发展先行先试区、综合示范区和产业区”的临港新片区，聚焦城市公交等领域率先开展示范应用。临港公交自成立以来，一直积极推进公交事业走上绿色发展之路。2021年10月，临港新片区首条氢能公交线路在临港片区临港7路、临港7路B线正式投入运营。截目前，临港公交共计118辆氢能公交车在临港新片区实现了真正意义上的全商业化运营，整车、氢系统、动力系统等均为8年全生命周期质保，氢能车辆保有量在上海公交企业中排名。

二、燃料电池汽车技术创新点

此前，纯电动城市公交车已在全球范围内普及，但其充电时间长，续航里程较短，电池寿命、更换电池及电池退役成本比较高，电池污染挑战城市环境承受力等问题一直被大家所诟病。而氢能作为、容易获得的能源，被许多誉为“清洁能源”。氢燃料电池车辆相比传统燃油车具有以下技术优势：

（一）能量转化率高，与传统汽车相比，燃料电池车能量转化效率高达60%~80%，为内燃机的2~3 倍。

（二）性能优越，燃料电池的燃料是氢和氧，生成物是清洁的水，它本身工作不产生一氧化碳和二氧化碳，也没有硫和微粒排出。因此，氢燃料电池汽车是真正意义上的零排放、零污染的车。

（三）燃料补充时间短，氢燃料电池车加注氢气的过程非常快速便捷，专用的加氢设备仅需8~10 min即可充满氢原料，相对于纯电动车超长的充电等待时间而言，其优势是显而易见的。

（四）可再生，相对柴油、汽油，氢能源的优势就是可再生。除了工业副产品制氢之外，还能通过煤制氢、利用谷电电解水制氢等，全生命周期的能源效率要优于汽油、柴油。

三、临港公交燃料电池公交车技术应用情况

临港氢能源公交车辆车型为低地板高一级车辆，采用燃料电池和动力蓄电池组合的双动力源系统。其车辆储氢容积为1020L，储氢量为26.5kg。同时，车辆装备90.2kwh的磷酸铁锂电池，整车质量为11650kg。

目前，临港氢能公交车辆的整车智能化程度较高，车上载有智能网联车载信息服务系统，实现车辆自动报站、监控车辆运行实时数据、异常驾驶行为监控与报警、客流情况统计等。此外，车辆还设有“ADAS碰撞预警系统、360全景环视、泊车预警、驾驶员辅助、涉水报警系统”等智能辅助驾驶功能，为整车安全平稳运行提供有力保障。未来，临港公交将借助的车联网技术，与车企开展车联网数字化管理工作，持续收集、整理氢燃料电池发动机投放过程中存在的故障问题以及性能表现数据，及时监控并持续改进氢燃料电池发动机工程质量，对车辆的发动机远程故障诊断、驾驶员能耗行为管理和氢安全管理进行实时监管。例如驾驶员能耗行为管理，利用车联网数字化数据积累与运算，得出的驾驶习惯，用于后期推广及培训。同时对异常操作（如加速踏板踩100%，急停急起步等）进行后台报警，及时发现驾驶员的操作问题。

（一）做到全流程监控，优化车辆使用管理。

1、车辆能耗监测

临港氢能公交车辆共配备3套氢系统，分别是上燃动力、康明斯和国鸿三家系统公司。2022年，车辆年度能耗均值为4.99公斤/百，其中上燃系统车辆行驶里程合计71.85万，百氢耗5.22公斤，康明斯系统车辆行驶里程合计121.14万，百氢耗4.74公斤，国鸿系统车辆行驶里程合计14.77万，百氢耗5.35公斤。

2、续航里程测试

在满氢、满电的前提下，临港公交通过正常营运对氢能源车辆进行极限测试。经数据跟踪，在不开空调前提下，全部超过500以上，其中续航能力长的车辆为574（氢气S0C剩余5%，电池SOC剩余20%），短车辆续航为531（氢气S0C剩余2%，电池SOC剩余20%）。后续临港公交在空调运行状态下将进行极限测试。

3、万故障率对比

氢能源部分车辆今使用已近2年。据统计，万故障率为0.13次，而纯电动车辆万故障率为0.82次。二者相比较而言，氢能车辆故障率更低。

4、车辆加氢情况

目前临港公交氢能车辆加氢点共设2处，分别为平霄路和同汇路加氢站。平霄路加注量为1200kg/24h，可为38辆氢能车服务；同汇路加注量为2000kg/24h，可为80辆氢能车服务。此外，同汇路加氢站还包含为12列中运量服务，平均单车加氢时间为10分钟。

（二）多措并举管理，合理规范处置

1、确保车辆安全运行

公司成立工作监督组，建立定期检查机制，监督测氢工作频率与规范，每周组织对储氢系统系统检查，对各管路、接头、阀类进行测氢检查，要求测量值为0ppm，检查覆盖率为100%。如果测氢枪出现数值，检查人员会使用泡沫进行渗漏测试，如发现问题立即修复，并连续测氢3天。

2、规范车间维保流程

氢能源车辆进入车间维保工位前，对整车氢管路、接头、阀类进行测量，在确保正常的前提下，关闭氢系统（防止氢系统在维修工位上工作），驶入维保工位进行车辆维保。当维保结束后，停放充电区域，对车辆进行充电。当车辆需要焊接、切割等动火作业，为保证安全，要求车辆在指定位置，由专人排放氢气，确定安全后，方可开展动火工作。

3、编写氢能车辆维保工艺规范

2022年3月，在市公交行业氢能源协会的大力支持下，临港公交委托组织编写氢能源公交车辆维保工艺，历时一年，经过不断的完善、验证与修改，于2023年1月份通过组认定，完成了《燃料电池公交车（氢能系统）维护工艺规范》企业标准。

四、配套企业（氢系统）优势介绍

围绕整车企业，核心配套企业先后落户于临港，例如临港公交现有氢能车辆所配备的氢系统主要由临港本地企业（国鸿及康明斯）组装生产，氢系统中的电堆、双极板、膜电极等8大零部件大部分为临港本地生产，再由系统厂商组装，由此拉动了临港氢能源产业的发展。其自主研发生产率达到75%以上，后续随着发展，还将持续增加。康明斯具有传统与新技术的双重积累。康明斯在燃料电池系统开发方面有25年的技术积累以及遍布全球共计2000多套的系统应用经验。结合在传统柴油机领域的百年历程，积淀了许多关键的技术、能力及体系，为燃料电池系统技术性提供了支撑，具体体现在：

1）正向系统集成体系和能力；

2）车规控制系统开发；

3）为本地市场专门打造的产品开发体系；

4）全球化研发协作；

5）数字化赋能产品智能、运营安全和主动服务等。

康明斯氢堆的部分关键指标也达到了《“领跑者”标准评价要求车用燃料电池发动机》中的水平：

1）电堆功率密度行业；

2）绝缘强度10倍于国标要求；

3）起动特性超过行业水平；

4）系统效率区占比高；

5）系统尾排氢浓度控制严格于国标要求，提升安全要求。

五、燃料电池汽车的发展局限及应对措施

目前燃料电池汽车行业的发展整体仍处于产业化初期阶段，燃料电池汽车的产销量整体较小，在汽车行业中的占比显著偏低，存在购置成本较高，尤其是制氢、储氢、加氢等配套设施不完善、产业政策的变化以及供应链配套体系的不完善等，仍然制约燃料电池市场需求。

（一）购置成本方面

康明斯新能源通过自研、海外技术输入，并联合上海氢晨等核心供应商已经突破并掌握了燃料电池电堆、DC/DC、空气压缩机、FCU控制器等核心零部件的核心技术和集成、生产工艺。同时，公司上海新建工厂5000台产线即将在2023年底投产，已具备一定的燃料电池系统及部分核心零部件的规模化产能。未来将进一步加大研发投入，通过技术进步、国产化进口替代以及本轮示范城市政策窗口期带来的产业规模增大持续带动供应链降低成本。此外，康明斯新能源还将联合产业合作方积极探索无补贴推广场景，尽可能拓展市场规模，带动产业链上下游上规模降成本，争取通过四年示范期将燃料电池整车成本进一步下降。

（二）配套设施方面

就像燃油车需要加油站、电动车需要充电桩一样，燃料电池车也需要制氢厂和加氢站保驾护航。一辆公交车可以充装26公斤氢气，续航里程超过400，加氢与用油效率相当，免去了频繁充电的烦恼和续航不足的担忧，便于调度。氢燃料电池汽车目前在临港新片区已形成了一个完整的汽车产业链，“十四五”期间计划建成各类加氢站14座。随着临港新片区氢能产业的发展，石油和申能集团也赢得了开发加油加氢站的机会，当地政府也非常支持油氢合建，这样可以限度地节约土地。在临港新片区，石油和申能集团现在已成为加氢站建设的主力军，还同时启动了5座油氢合建站项目。

六、燃料电池公交车安全要求

（一）停车场地安全要求

在当前的技术条件下，燃料电池电动汽车建议单独停放，与内燃机及纯电动汽车分开停放。建议停车场地为露天场地，确保场地、通道通风条件良好。停车场地应远离加油站、加气站、热源、潮湿、可燃设施/可燃物质堆放区域、有腐蚀性气体以及灰尘较大的地方。停车场地应避开高压电线及变电站等电力设施，电力设施可能产生的火花对燃电汽车的存放具有较大安全隐患。

（二）维修、维护场地要求

维修作业场所必须符合安全规定并能满足燃料电池系统所需的安全要求（按相关标准安装安全联动装置）。燃料电池车检修与一般维护场地应设置防火墙，且防火墙等设施要满足当地的防火管理部门要求。维修作业场所厂房内部净空高度不低于8 米。维修作业场所应醒目标记燃料电池公交车专用维护车位及明示防火、防静电标志。维修作业场所应配置通风设备保持通风良好，顶部不应有可能形成气体积聚的死角并配置氢气浓度检测报警设备及火焰探测器。维修作业场所应采用防爆灯具和防爆开关。维修作业场所应远离火源，作业区域（包括燃料电池公交车内）禁止吸烟。维修作业场所应配置随时可用的功能良好的二氧化碳灭火器。

七、燃料电池未来发展方向

根据燃料电池相关政策规划和产业发展状况，预计2025年实现5-10万辆规模的应用，2030年实现百万辆燃料电池汽车的商业化应用。我国燃料电池汽车行业即将进入快速发展的阶段。从技术方面看，燃料电池的小型化、续航能力的提高、低温启动性、耐久性、燃料的回收以及降低成本将成为未来燃料电池汽车生产技术发展的方向。从应用来看，我国燃料电池产业化水平将逐渐提高，燃料电池汽车的购置成本将不断下降，燃料电池汽车的应用前景良好。踔厉奋发新征程，勇毅前行向未来。随着氢能源公交车的不断导入，临港公交将与时代同向，与百姓同行，继续以“绿色发展、服务”为宗旨，打造“更绿色、更、更”的公交出行服务，让新发展理念在临港公交线将继续落地生花，让群众享受到科技带来的绿色出行便利，为新时代社会主义现代化强市建设贡献公交力量，一幅“临港公交高质量绿色发展”的壮美画卷正徐徐展开......

[参考文献][1] 20220年度上海市科学技术委员会科研项目：燃料电池城市公交客车运营管理指南

作者：朱杰 上海临港新片区公共交通有限公司

本文转自公共交通资讯

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