全球首座5Mpa低压合金氢燃料车载解决方案技术解析

2019年7月8日,深圳市佳华利道新技术开发有限公司联合有研工程技术研究院有限公司、深圳市绿航星际太空科技研究院合作攻关,首辆装配有低压(5Mpa)合金储氢系统的公交车已顺利下线。与此同时,坐落于兴城经济开发区的全球第一座车用低压加氢站已完成建设并开始示范运营。

本文将对,5Mpa低压合金氢燃料公交车以及低压加氢站技术状态深度解析。

1、5Mpa低压合金氢燃料公交车技术状态:

这台基于佛山飞驰客车厂量产车型发展而来的5Mpa低压合金储氢燃料公交车(FSQ6900FCEVG1),长宽高9000x2490x3300mm、轴距4570mm;自重10吨、满载14吨;搭乘人数58人、设立坐席26座;动力电池装载电量为42.6度电、燃料电池发动机额定功率30千瓦、驱动电机额定功率60千瓦、5Mpa低压合金储气瓶装载氢气16.8公斤;公交运营工况百公里耗气(氢)量为4.5公斤、最大续航里程370公里(大于)、氢气加注时间20-30分钟。

这台编号为FSQ6900FCEVG1低压合金氢燃料公交车,基于佛山飞驰电动客车改型而来,保留了原车适配的磷酸铁铁锂电池(装载电量缩小到42.6度电),驱动电机及控制系统。

5Mpa低压合金储气系统、燃料电池发动机(电堆)以及重新布设的散热系统和控制系统,都在不改变原车驱动系统、动力电池系统以及车身焊接架构上,“原装位”换装的形式集成。

在地表温度达到48摄氏度、车身覆盖件(前部)温度达到45.5摄氏度的午后,笔者对5Mpa低压合金氢燃料公交车、低压合金储气系统、燃料电池发动机及辅助系统,进行简单的评测。

上图为,开启载员舱空调制冷模式并以“怠速”状态运行超过2小时的,低压合金氢燃料公交车后部动力舱各分系统细节及热辐射信号特写。

输出功率30千瓦的燃料电池发动机“怠速”运行(为电动空调压缩机输出电量)时,冷却系统进行高温散热伺服,最高温度保持在60摄氏度左右的预设工况。

上图为5Mpa低压合金储氢系统直接装载于车型底盘细节特写。

作为燃料电池系统的一部分,5Mpa低压合金储氢系统利用燃料电池发动机运行时产生的余热释放氢气,并可吸收30%的余热,成为系统外部换热器,减少了系统换热能耗,平均散热功率降低0.6千瓦。

简单的说,在燃料电池发动机运行(氢气和氧气在电堆内进行化学反应)产生的热量,对5Mpa低压合金系统进行预热,以达到氢气释放的技术需求。这种循环做工的技术设定,有利于降低源自氢燃料和车载动力电池输出的能量,让车辆从“冷启动”工况快速进入正常使用模式。

在这里需要补充一下的是,目前热议的燃料电池技术、燃料电池汽车,实际上指的是有氢气和氧气在专用的燃料电池发动机(电堆)进行作用(铂金催化),转化成水、热能和电能。氧气通过空气滤清器(过滤杂质)输送至电堆、参与催化作用的氢气,则通过随车设置的储氢装置进入电堆,与氧气共同进行催化反应并获得电量。根据燃料电池发动机设定功率和驱动电机功率,产生的差额,再加装一组磷酸铁锂电池总成,用于存储燃料电池发动机输出的电量,以及在全负载工况时补充输出电量至驱动电机、回收制动回馈电能。

上图为台架状态的30千瓦(额定功率)燃料电池发动机细节特写。

换句话说,在中国本土量产的燃料电池车型,属于一种REEV(增程式插电混动)车型。燃料电池发动机替代传统汽油机,输出的电量至动力电池储备或驱动整车行驶;动力电池用于存储燃料电池发动机输出的电量并跟随驱动效率输出电量用于驱动。

上图为5Mpa低压合金储氢系统特写。

这种低压合金储氢系统的罐体内封装粉末状合金(通过技术手段,固定在罐体内,并具备与氢气快速混合的能力),与氢气反应生成氢化物。在一定条件下,催化成氢气和金属,可以结合可以分离。气态的氢气与金属结合成物态物质。在车载端加热后分解出氢气和金属,然后驱动燃料电池发动机做工。

总的来说,5Mpa低压合金储氢系统的优势很显著。相对35Mpa和70Mpa压力设定,储气钢瓶、阀门、管路的制造精度与压力需求大幅降低。这也意味着5Mpa低压合金储气系统的本身成本持续降低,与其配套的运输、存储和加注环节的硬件成本都可随之降低。

2、低压合金氢燃料加氢站运营模式:

为了符合“在20分钟之内可以把氢充满,至少行驶300公里以上”的5Mpa低压合金氢燃料公交车的运营需求,就需要储氢容量需要达到15公斤以上,同时为了保证20分钟充满,平均速率达到60kW燃料电池的动态响应技术设定。要想发挥5Mpa低压合金储氢系统本身技术优势,也要与专用的低压加氢站配套支持。

坐落于兴城经济开发区的全球第一座低压加氢站。相比于高压(国内35Mpa)储氢加氢设备投资不到1/4,加氢压力不到1/7,体积仅为1/3,整体安全性能大幅提升;加氢站设备投入可比现有设备成本节约70%以上,占地面积由原先3000平米大幅降至300-500平米。也可对现有加油站和CNG加气站稍加改造便可投入运营。

另外,加氢过程快捷,加氢量不受设备能力限制,运营效率得到有效提高。产品制造过程从原材料到生产全部实现国产化,不受外部因素影响,合金材料可回收再利用。

相对35Mpa高压加氢站,需要预设氢气存储设施并在加氢前将存储氢气的罐体压力提升至42Mpa不同,作为5Mpa低压合金氢燃料公交客车运营体系的重要一部分,与其配套的加氢站可以使用20Mpa压力的运输槽罐车作为氢气供应源。

为了保障绝对的安全,低压加氢站在工作时,也设定了完整的流程。尤其规定进场加氢时,车辆驱动状态;加注氢燃料完毕离场时,车辆驱动状态。

在进行低压氢燃料加注时,首先要有操作人员对管路接头进行防漏检测;然后确认阀体没有气体泄漏后,将氢气管路连接车载合金储气瓶接口。与此同时,还要通过接入冷却后的防冻液(1进1出回路)对合金储气钢瓶进行液态散热伺服。

如上图所示,在约35摄氏度室外温度环境下,进行氢燃料低压加注时,加氢管路表面温度与室外温度相当(35-37摄氏度)、冷却管路输入端表面温度约为31.9摄氏度、冷却管路输出端表面温度约为44摄氏度,此时热成像仪监测到最高温度47.5摄氏度。

车载端合金储氢钢瓶系统压力5Mpa、加注端槽车系统压力20Mpa,这种低压储氢和加注系统,即可完成车载端合金储氢。可代替钢瓶系统35Mpa、加注端系统压力提升至42Mpa,这种高压储氢和加注系统全部运营功能。

由于5Mpa低压氢燃料公交客车和存储加注一体化设施,可以直接使用20Mpa运输用槽罐车作为存储系统,仅1/3的成本并较大程度降低安全隐患。进过初步估算,低压加氢设施的建设成本约为300-400万元人民币,而35Mpa高压加氢设施的建设成本约为1200-1500万元人民币。

当然,5Mpa低压合金储氢系统,在安全层面较35Mpa以及70Mpa系统更安全,可是随车携带的钢瓶内部填充的合金增加约1吨的自重。这意味着9米级别氢燃料公交车运营时,每百公里氢气消耗量增加0.2-0.3公斤,用车成本增加10-15元每百公里。

相比整套5Mpa低压合金储氢加氢站的400万元,35Mpa高压储氢加氢站的1200-1500万建设成本,每台车每百公里运营增加的成本,每公斤氢气降低的加压环节成本所以及最重要的高安全性(车载端、运输端、储藏端、加注端)实在微不足道。

笔者有话说:

从2014年至2020年,高密度电池及电驱动类新能源车的国家与地方补贴退坡至零。而氢燃料类电动车辆的补贴额度始终保持高分比状态,无形中为众多车厂和研发机构投入重金,发展氢气、电堆制造以及终端应用的源动力。

当下,日系、美系车厂主打70Mpa氢燃料整车应用和解决方案;国内车厂则以35Mpa氢燃料解决方案商业化,但是这些归纳为高压的技术及方案,都存在这诸多关键部件密封失效引发较高安全事故隐患。而涉及氢燃料发动机、储氢钢瓶、阀体、管路高成本分摊低下,使得氢燃料技术发展商业化前景不明。

现在,5Mpa低压合金储氢整车应用和储氢、加氢设施的示范运营开启,意味着这种以安全性能为大前提的第3类氢燃料系统解决方案的商业化又推进了一步。当下,全国仅有包括在建的40座加氢站,而建设成本较高(单价1200-1500万元)的35Mpa高压加氢站,也要考虑到所在地区的安全及维稳因素。综合成本和安全等不可回避的因素,35Mpa高压加氢站的匮乏,导致众多品牌车厂在推广氢燃料公交车和商用车加氢困难的窘境。

5Mpa低压合金氢燃料公交车和与其配套的低压加氢站的示范运营,不仅标志着这一新技术路线的成熟,用更贴合实际需求的方式将加气难的问题得到简化,加速氢燃料汽车实实在在落地,加快整个行业发展。同时,带动了整个氢燃料产业链的发展,距离未来腾飞也就不远了。

文/新能源情报分析网宋楠

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