北京燃料電池公交車進入快速推廣階段

北京公共交通控股（集團）有限公司

趙汝亮

　　摘要：目前北京地區(qū)的電動公交車已形成產業(yè)規(guī)模，但從現有的運營情況看，純電動公交車存在續(xù)航里程短、動力電池性能衰減快、充電時間長以及安全等問題。燃料電池汽車作為新能源汽車的重要分支，其在續(xù)航里程、加注時間、安全性和環(huán)保性等方面比純電動汽車更具優(yōu)勢，是未來公交車電動化的理想選擇。本文從燃料電池汽車特點、燃料電池動力系統(tǒng)性能、加氫站布局、氫成本下降潛力以及北京地區(qū)燃料電池客車產業(yè)鏈等方面開展分析，認為燃料電池公交車在北京的推廣條件基本成熟，后續(xù)將進入快速推廣階段。未來，影響燃料電池公交車推廣的關鍵因素包括燃料電池動力系統(tǒng)的耐久性、成本、氫基礎設施、法律法規(guī)和標準等，這些方面的改善或突破都將助力燃料電池公交車深層次的產業(yè)化。隨著燃料電池公交車的推廣，公交系統(tǒng)將加速擺脫傳統(tǒng)石化能源，這對于發(fā)展氫能交通體系、優(yōu)化公交能源結構和緩解城市交通污染有著重要的意義，同時對我國燃料電池汽車甚至氫能產業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。

　　關鍵詞：新能源汽車，純電動公交車，燃料電池公交車，氫能，產業(yè)推廣

　　提 綱

　　一、國內外發(fā)展現狀

　　1、國外進展；

　　2、國內進展

　　二、燃料電池公交車概況

　　1、燃料電池公交車技術；

　　2、氫源供應；

　　3、燃料電池公交車的優(yōu)點

　　三、北京燃料電池公交車推廣的可行性

　　1、技術可行性；

　　2、加氫站建設可行性；

　　3、經濟可行性；

　　4、北京氫燃料電池客車產業(yè)鏈初步形成

　　結  論

　　參考文獻

　　緒  論

　　能源緊缺和環(huán)境污染是當代人類生存和發(fā)展所面臨的兩大挑戰(zhàn)。汽車產業(yè)，作為衡量一個國家綜合實力和發(fā)達程度的重要標志，消耗大量能源的同時排放大量污染物。據統(tǒng)計，我國汽車油耗約占整個石油消耗的1/3，預計到2020年上升到57%，每年新增石油消費量的70%以上均被新增的汽車所消費；汽車碳排量約占總排放的17%，其中近一半由中大型車輛排放。尋找和發(fā)展新的汽車清潔能源，將對全球汽車和能源產業(yè)格局以及經濟社會發(fā)展產生重大深遠的影響。

　　燃料電池汽車以氫氣和氧氣電化學反應產生的電力為驅動源，產物僅為水，具有環(huán)保性能佳、轉化效率高、加注時間短和續(xù)航里程長等優(yōu)勢，是未來汽車工業(yè)可持續(xù)化發(fā)展的重要方向。事實上，燃料電池汽車已成為全球汽車與能源產業(yè)轉型升級的重要突破口，是應對全球能源短缺和環(huán)境污染的重要戰(zhàn)略舉措。

　　公共交通是城市建設優(yōu)先發(fā)展的領域，預計到2020年，我國主要城市的公共交通出行分擔率將超過60%，北京則已達到72%。作為公共交通的重要組成，城市公交車肩負著重要的社會責任，綠色是其責任擔當的一大體現，主要包括低能耗、低污染和低噪音等方面。在《北京市藍天保衛(wèi)戰(zhàn)2018年行動計劃》中，將公交車列為重點在線排放監(jiān)控對象。

　　目前，新能源汽車（主要為電動汽車）在城市公交領域得到了大面積的推廣，以期為城市交通的節(jié)能減排做出貢獻。2017年底，北京新能源公交車的占比已達到30%左右，根據國家發(fā)改委、中宣部和科技部等十部委聯合制定的《關于促進綠色消費的指導意見》，2020年后公務車及公交系統(tǒng)基本實現全面電動化。但是，從目前純電動公交車運營情況看，存在續(xù)航里程短、動力電池性能下降以及安全等問題，購置成本較燃油公交車高出1/3。燃料電池汽車作為新能源汽車的重要分支，目前尚未規(guī)?；茝V，但其在續(xù)航里程、加注時間和環(huán)保性等方面比純電動汽車更具優(yōu)勢，是未來公交車電動化的理想選擇。在城市公交領域發(fā)展并推廣燃料電池公交車，可加速公交車擺脫傳統(tǒng)石化能源，對于發(fā)展氫能交通體系、優(yōu)化公交能源結構和緩解城市交通污染有著重要的意義，同時對我國燃料電池汽車甚至氫能產業(yè)的發(fā)展有著積極的作用。

　　本文將從燃料電池汽車特點、燃料電池動力系統(tǒng)性能、加氫站布局、氫成本下降潛力以及北京地區(qū)燃料電池客車產業(yè)鏈等多個方面展開分析，認為現階段燃料電池公交車在北京的推廣條件基本成熟，后續(xù)將進入快速推廣階段。

　　一、國內外發(fā)展現狀

　　新能源汽車種類較多，包括純電動汽車、增程式電動汽車、混合動力汽車、燃料電池電動汽車、氫發(fā)動機汽車及其他新能源汽車等。目前，主要的研究方向聚焦在純電動、混合動力和燃料電池汽車等。

　　國際上，除了美國發(fā)展有特斯拉純電動汽車外，其他國家基本沒有發(fā)展純電動汽車，日本等國從柴油汽車、混合動力汽車直接跳到燃料電池汽車。我國電動汽車產業(yè)較為發(fā)達，2001年啟動了“863”計劃電動汽車重大專項，涉及的電動汽車包括3類：純電動、混合動力和燃料電池汽車（稱為“三縱”），同時把多能源動力總成控制、驅動電機和動力蓄電池作為“三橫”，建立“三橫三縱”的開發(fā)布局[1]。2017年，電動汽車全年銷量達77.7萬輛，占新車銷售的比例不足以3%。根據《節(jié)能與新能源汽車產業(yè)發(fā)展規(guī)劃（2012～2020年）》，到2020年，純電動汽車和插電式混合動力汽車生產能力達200萬輛、累計產銷量超過500萬輛，同時，我國新能源汽車產業(yè)正從數量增長向質量提升過渡，從政策驅動向政策市場雙極驅動過渡。

　　下面，重點介紹燃料電池汽車的發(fā)展情況。

　　1、國外進展

　　燃料電池汽車在國外一直很受重視。美國能源部（DOE）2016年在燃料電池和氫能上的研發(fā)投入分別為3500萬和4100萬美元，計劃到2023年建成超過100個加氫站，按照美國氫能技術路線圖，到2040年美國將進入“氫能經濟”時代。加拿大為配合2010年溫哥華冬奧會建設了世界上第一條包括7座加氫站的氫能高速公路，該項目投資2億加幣；此外，在多倫多地區(qū)實施了以燃料電池為社區(qū)能量來源的“氫能村”項目。歐洲各國花費大量精力布局燃料電池汽車和加氫站建設，德國作為氫能燃料電池的領導者，計劃到2030年生產200萬輛燃料電池汽車；挪威、丹麥和北歐城市擁有豐富的可再生能源，可用于制氫，正在積極規(guī)劃加氫站建設，以供燃料電池汽車用；法國近些年開始重視燃料電池汽車，其“氫計劃”顯示，到2028年建成400～1000個加氫站，擁有2～5萬輛輕型商用車和800～2000輛重型車；英國也推出了燃油車的禁售目錄。亞洲方面，日本提出，到2030年，政府對氫產業(yè)的投資達1萬億日元，加氫站數量到2020和2050年分別為160座和320座；韓國計劃到2025年，建設200個位于高速公路的加氫站，到2030年，燃料電池汽車數量達63萬輛，占新車總數的10%。

　　目前，加拿大的巴拉德動力系統(tǒng)公司已經成為質子交換膜燃料電池技術的全球領導者，是世界上最大的集設計、開發(fā)、生產、銷售和服務為一體的質子交換膜燃料電池企業(yè)。Hydrogenics Corporation也是全球領先的氫氣發(fā)電技術和氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)商和制造商。北美地區(qū)大約有2萬輛燃料電池叉車在運營，Plug Power是叉車設備的主要供應商，占據了95%以上的市場份額。北美地區(qū)運營的燃料電池乘用車約3500輛，主要分布在美國加州。

　　法國阿爾斯通公司于2016年推出了首款氫燃料電池客運列車（iLints列車），這款列車將首先在德國的薩克森州投入運營，目前德國交通部已經訂購了14輛iLints列車。2017年，德國政府組織本國汽車行業(yè)領導企業(yè)成立了一個6000萬歐元、為期三年的聯盟（AutoStack-Industrie），旨在2020年之前為德國和歐洲燃料電池汽車的商業(yè)引進提供技術、經濟和科技支持。該聯盟由寶馬領導，還包括戴姆勒、德納、福特研究和創(chuàng)新中心、科德寶高性能材料、Greenerity、NuCellSys、燃料電池公司PowerCell Sweden AB、德國優(yōu)美科、大眾集團和德國巴登符騰堡州太陽能和氫能研究中心。

　　日本兩大汽車企業(yè)巨頭——豐田和本田已經推出了氫燃料電池汽車并已量產。豐田氫燃料電池汽車Mirai于2014年底正式在日本量產發(fā)售，其燃料電池功率為114kW，功率密度為3.1kW/L，最大續(xù)航里程接近500公里，加滿燃料的時間僅為3分鐘。Mirai價格為723.6萬日元(約37.5萬人民幣)，享受補貼后，消費者實際負擔的金額在520萬日元左右(約26.9萬人民幣)，截至2017年底實際銷量為2322輛。本田燃料電池汽車Clarity，2016年3月開啟租售業(yè)務，其燃料電池功率為103kW，功率密度為3.1kw/L，續(xù)航里程可以達到750km，其在美國的售價約6萬美元（人民幣約37.9萬），目前約售出200輛。

　　韓國研發(fā)生產燃料電池汽車的代表企業(yè)是現代（Hyundai），Hyundai從2002年開始研發(fā)燃料電池汽車，2005年采用巴拉德的電堆組裝32 輛SUV，2006年推出自主研發(fā)的第一代電堆，組裝30臺SUV、4輛大客車，并進行示范運行；2009-2012年間，開發(fā)出第2代電堆，裝配100臺SUV，開始在國內進行示范和測試，并對燃料電池電堆性能進行改進；2012年，推出第3 代燃料電池SUV 和客車并開始全球示范；2013年，韓國現代宣布將提前2年開展千輛級別的燃料電池SUV（現代ix35）生產，在全球率先進入燃料電池千輛級別的小規(guī)模生產階段。該SUV采用100kW燃料電池， 100kW電機，70MPa的氫瓶，氫瓶可以儲存5.6kg 氫氣，最新歐洲行駛循環(huán)工況續(xù)駛里程588km，最高車速160km/h?，F代燃料電池汽車推廣的策略之一就是汽車共享，在巴黎與STEP、林德公司合作計劃到2020年推廣100輛燃料電池出租，車型主要為ix35 fuel cell。同時，計劃在德國投入50輛ix35 fuel cell用作汽車共享。另外，韓國政府于2016年在蔚山市投放10輛ix35 fuel cell汽車用作出租車，并在2017年增加5輛，韓國當地的三大出租車公司負責實際運營，現代公司負責售后服務?，F代在2018年消費電子展（CES）上推出了Nexo燃料電池汽車，續(xù)航里程達到600公里，具有與傳統(tǒng)燃料汽車相同的續(xù)航能力。

　　2、國內進展

　　我國一直高度重視氫能與燃料電池汽車產業(yè)的發(fā)展。近年來，國家相關部委密集出臺政策，大力支持燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展。《國家創(chuàng)新驅動發(fā)展戰(zhàn)略綱要》、《“十三五”國家科技創(chuàng)新規(guī)劃》、《“十三五”國家戰(zhàn)略性新興產業(yè)發(fā)展規(guī)劃》、《中國制造2025》、《汽車產業(yè)中長期發(fā)展規(guī)劃》、《“十三五”交通領域科技創(chuàng)新專項規(guī)劃》等紛紛將發(fā)展氫能與燃料電池技術列為重點任務，將燃料電池汽車列為重點支持領域。《節(jié)能與新能源汽車技術路線圖》中明確提出：2020年實現1萬輛級規(guī)模在特定地區(qū)公共服務用車領域的示范應用，建成100座加氫站；2025年實現5萬輛規(guī)模的應用，建成300座加氫站；2030年實現100萬輛燃料電池汽車的商業(yè)化應用，建成1000座加氫站。

　　我國具備一定的燃料電池汽車研發(fā)基礎。在國家科研計劃和示范項目的持續(xù)支持下，國內已初步掌握關鍵材料、部件及動力系統(tǒng)的部分關鍵技術，基本建立了具有自主知識產權的車用燃料電池動力技術平臺，累計開發(fā)數百輛燃料電池汽車，結合奧運會、世博會、亞運會、大運會和UNDP等示范項目，開展了一定規(guī)模的示范運行。

　　2008年4月，福田發(fā)布了與清華大學聯合研制的福田歐輝燃料電池客車，3輛燃料電池城市客車圓滿完成了包括2008年北京奧運示范在內的為期1年的北京公交商業(yè)化示范運行，累計運行超過6萬公里。2010年上海世博會期間，燃料電池汽車共行駛91萬公里，載客183萬人次，其中接待VIP 6600人次。燃料電池公交客車單車每百公里耗氫9.8 kg。2010年，我國研制的燃料電池城市客車走出國門，在新加坡完成了揭幕和試運行儀式，并作為首屆青年奧運會官方新能源示范車服務青奧會。2016年，在全球環(huán)境基金（GEF）和聯合國開發(fā)計劃署（UNDP）支持下，我國啟動“促進中國燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項目三期示范運行，北京示范運行15輛燃料電池汽車（包括10輛客車和5輛物流卡車）。2017年1月，北京市科委5輛燃料電池公交車獲得國內第一批正式上牌的燃料電池客車，并在公交384線路開始運行，運行期間經歷了1月份的-15℃低溫環(huán)境及6月份的37℃高溫環(huán)境考驗。近期，搭載億華通燃料電池動力系統(tǒng)的60輛氫燃料電池客車已交付終端客戶，將用于北京市部分企事業(yè)單位班車及擺渡車；74輛燃料電池客車將用于張家口公交批量示范運營，為2022年北京冬奧會的綠色交通作準備。

　　二、燃料電池公交車概況

　　1、燃料電池公交車技術

　　燃料電池自1893年發(fā)明至今，已有多種類型，按電解質來區(qū)分[2]，可分為六類。按目前在汽車領域使用最廣泛的是質子交換膜燃料電池。

　　（1）燃料電池反應機理

　　氫燃料電池是指通過氫與氧發(fā)生電化學反應來產生電能的裝置。

圖2-1是質子交換膜燃料電池的工作原理示意

圖2-1 燃料電池工作原理示意

　　（2）燃料電池動力系統(tǒng)

　　燃料電池汽車動力配置方案有純燃料電池、燃料電池加蓄電池、燃料電池加超級電容、燃料電池加蓄電池加超級電容、燃料電池加飛輪以及插電式等六類。其中，第二種方案是主流，也是未來發(fā)展趨勢，目前量產的現代ix35、豐田Mirai和本田Clarity均采用此方案。

　　針對燃料電池電壓電流輸出特性及動態(tài)響應滯后的特點，基于城市公交大客車運行時，驅動與制動功率波動頻率高、幅度大以及長續(xù)駛里程的總驅動與制動能量較大等工況特點和難點，以清華大學汽車安全與節(jié)能國家重點實驗室為主的氫燃料電池客車動力系統(tǒng)研發(fā)團隊率先提出并研制成功燃料電池加動力電池的電-電混合動力系統(tǒng)。

　　燃料電池混合動力系統(tǒng)主要包括燃料電池、輔助動力源、DC/DC變換器等部件。燃料電池系統(tǒng)作為車輛常規(guī)運行時的主要動力源，為車輛的常規(guī)運行提供所需能量；輔助動力源為蓄電池或超級電容器，提供車輛在啟動、加速、爬坡等特殊工況下所需功率。如此，既能保證車輛在不同工況下所需的能量，同時能夠減小對燃料電池的沖擊，提高燃料電池的壽命。

　　通常，根據燃料電池混合動力系統(tǒng)動力源裝置的搭配方案以及它們與電機驅動系統(tǒng)之間的連接方式來定義系統(tǒng)構型。根據燃料電池系統(tǒng)是否與電機控制器直接相連分為直接燃料電池混合動力系統(tǒng)和間接燃料電池混合動力系統(tǒng)。

　?、僦苯尤剂想姵鼗旌蟿恿ο到y(tǒng)

　　圖2-2為直接燃料電池混合動力系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)直接與電機控制器相連，同時，使用蓄電池或者超級電容作為輔助動力裝置，并且蓄電池組（超級電容）和動力系統(tǒng)的直流母線之間使用雙向DC/DC變換器。

　?、陂g接燃料電池混合動力系統(tǒng)

　　圖2-3為間接燃料電池混合動力系統(tǒng)。在燃料電池系統(tǒng)前面使用單向DC/DC變換器來對燃料電池系統(tǒng)和電機驅動系統(tǒng)進行電壓匹配，并對燃料電池系統(tǒng)的輸出功率進行控制，輔助動力源裝置選用蓄電池組或超級電容，并直接與直流母線相連接。

　　燃料電池直接驅動構型中，為滿足車輛良好的動力性，燃料電池動力系統(tǒng)（FCE）必須具有良好的動態(tài)特性和V-I特性，同時，為避免FCE瞬時大功率放電導致的母線電壓過低而損壞燃料電池堆，FCE的額定功率取值也相對偏高。

　　燃料電池間接驅動構型中，由于DC/DC變換器的作用，實現了FCE與儲能系統(tǒng)（ESS）的功率耦合和電壓隔離，有利于對燃料電池動力系統(tǒng)優(yōu)化調節(jié)，在目前燃料電池的技術水平下，是一種經濟實用的混合動力系統(tǒng)構型。

　　（3）燃料電池公交車系統(tǒng)結構

　　燃料電池公交車以燃料電池動力系統(tǒng)為動力源，其駕駛習慣與燃油車類似，但構造與傳統(tǒng)燃油車和電動汽車存在一定的差異。圖2-4是國內燃料電池公交客車動力系統(tǒng)結構示意圖。氫瓶置于車頂，燃料電池電堆及電機等均置于車后。通常，國內12米燃料電池公交車，采用不低于60kW的燃料電池發(fā)動機和功率型動力電池相結合的氫-電混合動力系統(tǒng)，配有8～10個35MPa氫瓶系統(tǒng)，續(xù)航里程超過300km。

圖2-4國內燃料電池客車動力系統(tǒng)結構示意圖

　　2、氫源供應

　　氫源是燃料電池公交車正常運營的保障，相關產業(yè)包括制、儲、運、加等方面，其產業(yè)成熟度和價格直接影響燃料電池汽車甚至氫能產業(yè)的商業(yè)化推廣。目前，氫氣的市場價格較高，一定程度上不利于燃料電池汽車的產業(yè)推廣，降低氫氣成本是未來主要研究發(fā)展的方向。

　　（1）制氫方式

　　目前常用的制氫方式包括化石燃料制氫、含氫尾氣/副產氫氣回收利用、高溫分解制氫和電解水制氫?；剂现茪浒ㄊ汀⑻烊粴庹羝卣茪浜退簹夥ㄖ茪涞?。根據統(tǒng)計，我國現有氫氣主要來自化石燃料制氫，其中煤炭制氫占20 %，天然氣制氫占46 %，石油制氫占30 %，電解制氫占3 %[3]。工業(yè)副產氫制氫是指利用含氫工業(yè)尾氣為原料制氫，工業(yè)尾氣主要包括合成氨產生的尾氣、煉油廠副產尾氣、氯堿工業(yè)副產氣、煤化工焦爐煤氣等。高溫分解制氫分甲醇裂解制氫和氨分解制氫。水電解制氫通過提供電能使水分解制得氫氣，，該過程的效率一般在75%-85%左右，其工藝過程簡單無污染，但因電耗大而成本較高。還有一些其他的制氫技術，如生物質氣化制氫、光解水制氫等，尚未產業(yè)化應用。從低碳環(huán)保的角度看，以新能源為基礎的電解水制氫是未來的發(fā)展目標。

　　（2）儲運方式

　　由于氫在常溫常壓下為氣態(tài)，密度僅為空氣的1/14，所以提高氫的儲運效率是產業(yè)發(fā)展的關鍵。目前，儲運技術主要包括高壓氣態(tài)儲運、低溫液態(tài)儲運、固體儲運和有機液態(tài)儲運等，表2-1列出了各種儲氫技術優(yōu)缺點。

表2-1 不同儲運方法的質量儲氫密度和優(yōu)缺點

　　（3）加氫站

　　加氫站之于燃料電池汽車，猶如加油站之于傳統(tǒng)燃油汽車、充電站之于純電動汽車，是支撐燃料電池汽車產業(yè)發(fā)展必不可少的基石。燃料電池汽車的發(fā)展和商業(yè)化離不開加氫站基礎設施的建設。

　　通常，氫氣加注是通過將不同來源的氫氣經壓縮機增壓，然后儲存在站內的高壓儲罐中，再通過氫氣加氣機為氫燃料電池汽車加注氫氣，其加注流程如圖2-5所示。目前加氫站根據是否現場制氫，分為外供氫加氫站和站內制氫加氫站兩種。

圖2-5 加氫站工作流程

　　　3、燃料電池公交車的優(yōu)點

　　（1）綠色環(huán)保

　　由于燃料電池把化學能直接轉化成電能，氫氣在燃料電池中轉化成水，因此，氫氣燃料電池汽車的唯一排放是水蒸汽，在目前中國城市霧霾嚴重和全球CO2排放超高（汽油、柴油和天然氣車都排放CO2）、全球變暖的情況下，氫氣燃料電池汽車可以保護環(huán)境，帶來極大的社會效益。

　　據調查，京津冀地區(qū)柴油卡車（輕、中、重型）保有量約為204萬輛。經過測算，這些車輛全年排放總污染物約648萬噸，其中一氧化碳517萬噸，碳氫化合物34萬噸，氮氧化物93萬噸，PM2.5顆粒4萬噸。如果改為燃料電池卡車，用氫氣驅動則所有排放全部為零。

　　因此，氫燃料電池汽車是真正意義上的零排放、零污染，并且對城市具有增濕、凈化的作用。

　　（2）加氫時間短、續(xù)航里程長

　　燃料電池汽車加氫時間短，一般為3~5min，續(xù)航里程可達到500km以上，遠遠超過了傳統(tǒng)純電動汽車的續(xù)航里程。

　　（3）安全可靠

　　氫氣化學性質活波，使得氫氣在使用過程中存在一定的安全隱患。另外，由于對氫氣使用的經驗不夠豐富，駕駛員在使用氫燃料電池汽車時，心理上也存在著較大的疑慮。因此，安全性問題在燃料電池公交車推廣中關注度較高。

　　國內外對燃料電池汽車制定了很多標準和規(guī)范，其中65 %以上的內容是針對安全性的規(guī)定。燃料電池汽車的氫安全性，主要是指燃料電池汽車運行過程中車載氫系統(tǒng)的安全，主要包括高壓供氫系統(tǒng)、燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的安全性等。目前，為了保證車載氫系統(tǒng)的安全，各企業(yè)主要從材料選擇、氫泄露監(jiān)測、靜電防護、防爆、阻燃等方面進行預防和控制[4]。

　　的確，氫具有易燃、易爆及氫脆等安全性問題[5]。但這些危害的出現都是在一定環(huán)境條件下產生的，只要在使用過程中控制必要條件，就可避免氫氣的危害。

　　首先，氫氣爆炸極限是體積密度達到4.0 %～75 %，即氫氣在空氣中的體積濃度在4.0 %～75 %之間時，遇火源就會爆炸，而當氫氣濃度小于4.0 %或大于75 %時，即使遇到火源，也不會爆炸。

　　其次，氫的密度僅為空氣的7 %（一個標準大氣壓、0 ℃下，密度為0.0899 g/L），與汽油、丙烷和天然氣相比，具有更大的浮力（快速上升)、擴散性（橫向移動）和快速揮發(fā)性。流通空氣中很難聚集高濃度的氫，如果發(fā)生泄漏，氫氣會迅速擴散，特別是在開放環(huán)境中，很容易快速逃逸，而不像汽油揮發(fā)后滯留在空氣中不易疏散。美國邁阿密大學的Swain博士做過一個著名的試驗[6]，如圖2-6所示。兩輛汽車分別用氫氣和汽油作燃料，然后進行泄漏點火試驗。點火3秒后，高壓氫氣產生的火焰直噴上方，汽油則從汽車的下部著火；到1分鐘時，用氫氣作燃料的汽車只有漏出的氫氣在燃燒，汽車沒有大問題，而汽油車則早已成為大火球，完全燒光。所以氫氣易揮發(fā)的性質，與普通汽油車相比，有利于汽車的安全。浙江大學的張俊峰[7]針對小型燃料電池車用低壓儲氫裝置安全性開展試驗，對裝置全生命周期的危險因素進行識別和分析，建立了小型燃料電池車用低壓儲氫裝置的系統(tǒng)安全試驗方法；同時開展了換氣站泄露爆炸的模擬研究，對爆炸后果進行定量評估，探究了不同低壓儲氫裝置數目、放置位置、泄壓板設置及環(huán)境風速等對爆炸強度、沖擊波及火焰?zhèn)鞑バ袨榈挠绊懸?guī)律。

　　在氫瓶槍擊實驗中，用子彈打穿35MPa氫瓶，通過45s連續(xù)照片（見圖2-7）發(fā)現：當氫瓶被子彈擊穿時沒有發(fā)生氫氣爆炸；當子彈擊穿氫瓶時氫氣是向上噴射；氫氣噴射的速度極快，一瓶氫氣，一個子彈孔45秒就排放完成。

圖2-7 氫瓶槍擊實驗

　　圖2-8是氫瓶火燒的實驗，將氫瓶進行火燒，氫氣燃燒前一秒火焰最大，一秒之后火焰驟降，基本5-15秒后火焰熄滅，最重要的一點，即便是火燒氫瓶，氫瓶依舊沒有出現爆炸。

圖2-8 氫瓶火燒實驗

　　由此可見，只要合理預防控制氫氣的不利安全因素，就會避免產生安全危害。事實上，氫工業(yè)長期以來的安全運行以及氫能在航空航天等領域的廣泛應用，都足以證明這一點。

　　三、北京燃料電池公交車推廣的可行性

　　北京地區(qū)是國內燃料電池汽車示范運營的先行者，形成了較深厚的運營經驗和技術積累。目前，北京的燃料電池公交車正進入快速推廣的階段，對燃料電池客車性能、氫基礎設施、運行成本和區(qū)域產業(yè)布局等的要求也越來越高，需要這幾個方面不斷取得改進和突破。

　　1、技術可行性

　　燃料電池發(fā)動機自發(fā)明至今，其技術不斷進步，各項性能不斷優(yōu)化，為燃料電池公交車的大規(guī)模推廣提供有力保障。目前，燃料電池發(fā)動機的平均壽命≥10000h，最高效率（含DC/DC）≥55%，防護等級IP67；燃料電池公交車的平均無故障里程≥5000km，最大爬坡度≥25%，百公里氫耗≤8kg，低溫快速啟動時間≤10min，工作環(huán)境溫度-30℃～60℃，儲存溫度-40℃～60℃，運行海拔0～1600m。

　　2、加氫站建設可行性

　　目前，由于氫屬于危化品，北京市內管控要求非常嚴格，相關加氫站的審批困難，制約了北京地區(qū)氫能與燃料電池汽車的產業(yè)化推廣。由于燃料電池公交車的續(xù)航里程長且穩(wěn)定，加氫站完全可以在審批難度相對較低的遠郊地區(qū)布局，較短的加氫時間和較長的續(xù)航里程，完全可以實現燃料電池公交車“遠郊加氫、市-郊中長途運行”的方案。這點與純電動公交車存在本質的差別，后者限于續(xù)航里程，對充電樁布局網絡的依賴性較大。另一方面，國內已出臺相關標準支持加氫加油加氣混建站的建設，傳統(tǒng)能源巨頭（如中石油、中石化等）有著豐富的氫能資源和傳統(tǒng)加油站網絡體系，對于氫能規(guī)劃非常積極，正在開展北京市遠郊區(qū)域的加氫站布局和程序審批。

　　3、經濟可行性

　　氫氣成本構成較為復雜，包含制、儲、輸及加等環(huán)節(jié)。我們以成本昂貴的電解水制氫為例。制氫環(huán)節(jié)的直接成本為電和水，1Nm3氫氣耗電5.5kWh、耗水1L；間接成本包括人工、設備檢修和易損件更換等。以2000萬Nm3/年的氫氣產量、電價0.5元/度折算（不考慮折舊和產房攤銷等），制氫成本為2.76元/Nm3，電耗成本占制氫環(huán)節(jié)的94%以上。儲運采用長管拖車氣態(tài)高壓儲氫方式，運費包括油費（油耗百公里300元）和過路費（百公里250元）。以張家口至北京運輸路線折算，氫氣運輸成本為0.14元/Nm3。氫氣加注成本包括人工、設備檢測及維修、易損件更換和電費等（不考慮折舊和產房攤銷等），約合0.35元/Nm3。綜合下來，不考慮商業(yè)利潤等情況，氫的WTT（Well-to-Tank，從燃料源到汽車燃料儲存裝置）成本約為3.25元/Nm3，即氫成本理論上可控制在40元/kg以下。當然，如果考慮各環(huán)節(jié)的利潤，尤其是制氫廠、加氫站的設備折舊等費用，目前的氫能成本還需降低。例如，目前加氫站核心設備有壓縮機、儲氫罐和加氣機等，多為國外進口，如果能實現核心設備國產化，加氫站的成本將大幅降低，未來氫氣價格還有下降的空間；可再生能源發(fā)電的成本如果大幅下降，未來終端客戶用氫可控制在35元/kg左右。

　　4、北京氫燃料電池客車產業(yè)鏈初步形成

　　北京市氫燃料電池產業(yè)肇始于“十五”期間國家“863”燃料電池汽車開發(fā)項目，經多年發(fā)展，逐步形成了以高精尖科研院所和企業(yè)為主體的氫燃料電池產業(yè)鏈，成為國內領先的氫燃料電池車輛示范城市，產業(yè)發(fā)展前景可期。

　　（1）整車開發(fā)

　　北京市擁有北汽集團、福田汽車等國內領先的大型汽車企業(yè)，其中福田汽車與億華通聯合開發(fā)的多款車型已開始商業(yè)化推廣。同時，福田汽車正在聯合清華大學、億華通等單位開發(fā)面向冬奧會的120kW城際高速客車；福田汽車聯合億華通正在開發(fā)8噸物流車、12噸環(huán)衛(wèi)車和25噸重卡，其中首批8噸物流車將于2018年10月份交付并示范運營。北汽集團聯合億華通已開發(fā)使用國產化電堆、70MPa氫系統(tǒng)和續(xù)航里程達到400km的第二代氫燃料電池乘用車，并將在2018北京國際汽車展亮相。

　　（2）核心零部件開發(fā)

　　經過多年積累，北京市逐漸形成了以億華通為代表的一批氫燃料電池核心零部件研發(fā)生產企業(yè)。其中，億華通已經實現氫燃料電池電堆國產化，量產氫燃料電池發(fā)動機已于2017年8月成功下線，與北汽、福田、宇通等國內多家主流整車企業(yè)建立了合作關系；北京科泰克和北京天海自主研發(fā)了35MPa和70MPa的車載儲氫瓶；北京精進電機開發(fā)了適合氫燃料電池汽車使用的專用電機產品；北京盟固利、北京科易開發(fā)了配合氫燃料電池發(fā)動機功率輸出特性的鋰電池產品。由此可見，北京市在國內率先形成了較為完整的氫燃料電池汽車零部件配套體系。

　　（3）供氫體系

　　氫氣作為最普通的化工原料，其生產技術非常成熟。我國是世界第一的制造業(yè)大國，氫氣產量也是位居世界第一，氫能在我國的推廣利用具有堅實的物質來源。我國每年有大量的工業(yè)副產氫氣因為找不到出路，而被當作普通燃料燒掉，更有甚者，因為出于安全考慮而白白用火炬燒掉。同時，我國又是可再生能源裝機容量全球最大的國家，每年由于電網容量不足，造成大量的綠色電能白白放棄。

　　氯堿工業(yè)：2015年我國的氯堿產量3028.1萬噸，副產氫氣約75.7萬噸。

　　焦化工業(yè)：我國是煤炭大國，也是世界第一的焦炭生產國，焦炭年產量超過8億噸。副產焦爐煤氣約3800億立方米，其中氫氣約55%，1870萬噸。

　　石油化工：根據計算，一套年產60萬噸丙烯的丙烷脫氫工廠每年副產氫氣接近3萬噸，而全國已開車，在建和將要建的裝置要超過20多家，60萬噸的氫氣。

　　綠色電能：2016年全年棄風497億度電，可生產氫氣98.6萬噸；2016年上半年西北五省棄光32.8億度電，可生產氫氣6.5萬噸；2016年云南、四川共棄水660億度電，可生產氫氣131萬噸。

　　由于我國在工業(yè)副產氫氣量大和可獲得性方面的優(yōu)勢，使得我國現階段推廣氫能在交通運輸行業(yè)的應用具備站在世界前沿的資源基礎。

　　神華集團、中節(jié)能風力發(fā)電股份有限公司和北京海珀爾科技有限公司等利用河北省豐富的風電資源，在張北、沽源等地建立了風電制氫項目，制氫項目分期完成，能滿足京津冀地區(qū)氫燃料電池汽車對高純度、低成本氣源的需求。北京擁有全國第一座車用加氫站，即北京永豐加氫站。該站由億華通建設運營，積累了大量加氫站運營數據和豐富經驗，可以為北京市今后加氫站的建設及運營提供有力支撐。同時，中石化、中石油、神華等能源企業(yè)正在積極布局加氫站建設，為北京地區(qū)氫燃料電池汽車的推廣提供便利的加氫服務。

　　（4）示范運營

　　表2-2是燃料電池客車在京津冀地區(qū)的示范運行歷程，其中，2018年燃料電池團體班車和公交車均已進入商業(yè)化推廣階段。就目前發(fā)展情況來看，北京市氫燃料電池汽車產業(yè)在全國的領先優(yōu)勢凸顯，氫能與燃料電池汽車全產業(yè)鏈基本形成。

表2-2 燃料電池汽車京津冀地區(qū)的示范運行情況

　　結  論

　　目前，全球燃料電池汽車產業(yè)正處于產業(yè)化初期，在乘用車、客車和物流車等多個領域正開展小批量的商業(yè)化推廣。燃料電池技術的進步、汽車電子技術的發(fā)展、各國政府的大力扶持、零部件成本的不斷降低以及氫基礎設施的逐漸完善等是燃料電池汽車商用化最重要的幾個因素。得益于政府的強力扶持和龐大的市場潛力，我國的燃料電池汽車發(fā)展勢頭迅猛。憑借交通網絡發(fā)達、環(huán)境典型以及運營基礎良好等優(yōu)勢，北京公交正迎來燃料電池公交車規(guī)模化推廣的時期，逐步構建氫能交通體系、優(yōu)化能源消費結構、促進氫能產業(yè)發(fā)展以及助力北京市藍天保衛(wèi)戰(zhàn)。

　　在后續(xù)階段，應注重以下幾個影響燃料電池公交車產業(yè)化推廣的關鍵因素：

　?。?）氫基礎設施：燃料電池汽車的能源保障，其發(fā)展與燃料電池汽車的產業(yè)化推廣是相得益彰的；

　?。?）政策法規(guī)及標準：目前政策對燃料電池汽車的支持力度很大，但囿于現有部分法規(guī)或標準的限制，尤其是加氫站的建設審批，后續(xù)還需要加強這方面的工作，使政策能真正推動氫能產業(yè)的發(fā)展、標準能有效規(guī)范行業(yè)研發(fā)和生產，同時加強宣貫和示范活動，引導和提高主管機構和公眾對氫能的接受度；

　　（3）成本：目前燃料電池汽車成本高，主要是因未形成規(guī)?；S著燃料電池汽車規(guī)?；茝V應用，燃料電池技術也將不斷進步，相關零部件也將規(guī)模化、國產化，燃料電池汽車成本會大幅度下降，可反過來推動燃料電池汽車的產業(yè)化；

　?。?）耐久性：北京公交尚未大批量應用推廣，還需要在后續(xù)運營中實現產品的升級換代，進而推動產業(yè)的發(fā)展。

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