王有财

(北京图森智途科技有限公司，北京 100000)

0 引言

液氢重卡是一种新型的环保交通工具，具有很高的发展潜力和广阔的市场前景。随着全球环保意识的增强和对传统燃油车的限制加严，液氢重卡作为一种新型的绿色能源车辆，备受关注。液氢重卡的出现，不仅能够满足环保要求，还能够提高物流运输的效率、降低成本，具有重要的社会和经济意义[1]。本文将在液氢重卡的技术特点、应用现状、市场前景等方面进行探讨，旨在为液氢重卡的发展提供参考和建议。

1 液氢重卡国内外发展现状

1.1 国内液氢重卡发展现状

液氢重卡是一种新型的环保交通工具，具有很大的发展潜力和广阔的市场前景。在国内，随着环保意识的增强和政府对环保产业的支持，液氢重卡的发展也越来越受到重视。

目前，国内液氢重卡的研发和生产已经初步形成规模。一些大型车企和科研机构开始投入资金和人力进行液氢重卡的研发和生产。例如，中国重汽集团推出了一款液氢重卡，其最大续航里程可达1 000 km，成为国内液氢重卡领域的领先者之一。

此外，国家也出台了一系列政策支持液氢重卡的发展。例如，国家发改委、工信部等部门联合发布了《新能源汽车产业发展规划(2021-2035年)》，明确提出要加快推进液氢燃料电池车商业化应用，推动液氢重卡的发展。

国内液氢重卡的发展还处于起步阶段，但是随着政府的政策支持和市场需求的增加，液氢重卡的发展前景非常广阔。

1.2 国外液氢重卡发展现状

液氢重卡在国外的发展已经相对成熟，一些国家已经开始大规模应用液氢重卡。

日本是液氢重卡应用最为广泛的国家之一，其技术非常成熟，已经应用于物流、城市配送、建筑工地等领域。日本一些大型物流企业如日本邮船、佐川急便等，已经开始大规模使用液氢重卡进行货物运输[2]。

美国也在积极推进液氢重卡的应用。美国政府出台了一系列政策来支持液氢重卡的发展，例如，推出液氢重卡购车补贴、建设液氢加氢站等。目前，美国一些物流企业如UPS、FedEx等，已经开始使用液氢重卡进行货物运输。

此外，欧洲、韩国等国家和地区也在积极推进液氢重卡的发展。欧洲一些大型物流企业如德国的DB Schenker、荷兰的Albert Heijn等，也已经开始使用液氢重卡进行货物运输[3]。

未来，液氢重卡将成为国际物流运输领域的重要交通工具，具有很高的市场潜力和经济效益。

2 液氢重卡特点

2.1 液氢重卡优点

液氢重卡比气氢重卡在续驶里程、轻量化、高效率、使用寿命和动力性能方面更具优势，更加适合中长途干线场景。

(1)轻量化和装载量更优：以储氢量80 kg为例，气氢系统体积为10.6 m3，质量为3.1 t，加氢时间需要40 min；而液氢系统体积为3.2 m3，质量为1.2 t，加氢时间需要10 min。

(2)续驶里程长：由于载氢量更大，液氢重卡续航里程可以超过1 000 km。

(3)效率更高：液氢的冷能利用和燃料电池热能利用，可使能耗下降30%。

(4)寿命长、性能好：液氢品质高，对燃料电池寿命和性能影响小。

基于以上优点，液氢重卡市场前景广阔。据预测，重卡市场年销量维持在110万～120万辆，其中氢燃料重卡在2025年销量可达到7 500辆，2030年可达到30 000辆；示范运营方面，液氢重卡预计在2025年实现百辆级小规模示范运营，2030年实现万辆级示范运营。随着液氢重卡在续驶里程、整车TCO方面技术的不断成熟，成本的不断降低，在干线物流场景比气态氢优势明显[4]。

2.2 液氢重卡技术不足

液氢重卡虽然具有很多优势，但是在技术方面仍然存在一些不足之处，主要表现在以下几个方面：

(1)成本高：由于液氢制备成本高、燃料电池技术成本高等原因，液氢重卡的制造成本较高。

(2)加氢设施不足：液氢重卡需要特殊的加氢设施，目前全球液氢加氢站的数量仍然较少，加氢设施建设和运营成本也较高。

(3)储氢技术不成熟：液氢需要高压储存，但是目前的储氢技术仍然不够成熟，存在安全隐患和技术风险。

(4)维护保养成本高：液氢重卡的维护保养成本较高，需要专业的技术人员进行维护和保养，维修费用也较高。

(5)长途运输受限：液氢重卡的长途运输受到氢气储存和加氢设施的限制，目前主要应用于城市配送和短途物流运输。

3 液氢重卡的基本构成与工作原理

液氢重卡主要由以下几个部分组成：

(1)储存系统：低温液态储氢是另一种氢气的物理储存方式并且液态储氢拥有更高的储氢密度。在-253 ℃(沸点)时液态储氢密度约为 71.0 g/L，是15 ℃ 时加压至 70 MPa 的气态储氢密度的 1.8倍，密度是气态氢的 845 倍。通常，低温液态储氢是将氢气压缩后冷却至-252 ℃以下，使之液化并存放于绝热真空储存器中。

(2)燃料电池系统：液氢重卡采用燃料电池技术，将氢气和氧气在燃料电池中反应产生电能，驱动电动机运转。

液氢重卡的工作原理如下：

(1)加氢：低温液态储氢,将氢气压缩后冷却至-252 ℃以下，使之液化并存放于绝热真空储存器中。

(2)燃料电池生电：当液氢重卡需要电能时，氢气从氢气储存罐中流入燃料电池，与氧气在燃料电池中反应，产生电能。

(3)电能转化：燃料电池产生的电能在控制系统的指令下，转化为电动机的机械能，驱动车辆运转。

(4)排放：液氢重卡的排放物只有水，不会产生有害气体和颗粒物，具有很高的环保性。

综上所述，液氢重卡的基本构成包括氢气储存系统、燃料电池系统、电动驱动系统和控制系统等。液氢重卡的工作原理是使氢气和氧气在燃料电池中反应产生电能，驱动电动机运转，实现车辆的驱动和运转。

图1 液氢重卡原理图

图2 液氢重卡总布置图

图3 燃料电池堆工作原理

4 燃料电池堆工作原理

燃料电池堆是一种将化学能转化为电能的装置。它的工作原理类似于电池，但不同于普通电池的是，燃料电池堆不需要储存电能，而是通过持续地供应燃料和氧气来产生电能[5]。

燃料电池堆的核心是膜电极组件，包括阳极、阴极和电解质膜。燃料电池堆的工作过程主要分为以下几个步骤：

(1)氢气在阳极处发生氧化反应，产生电子和氢离子。反应式为：H2→2H++2e-。

(2)氢离子通过电解质膜向阴极迁移，电子则通过外部电路向阴极迁移，产生电流。

(3)氧气在阴极处发生还原反应，与氢离子结合生成水。反应式为：O2+4H++4e-→2H2O。产生的水排出燃料电池堆，作为废水排放。

燃料电池堆的工作过程中，氢气和氧气在阳极和阴极处发生氧化还原反应，通过电解质膜分离，产生电能和水。燃料电池堆的电能输出可以通过串联或并联多个燃料电池堆来增加电压和电流，以满足不同的电力需求。

表1 某燃料电池系统性能参数

5 液态储氢技术

液态储氢技术是将氢气通过压缩、制冷等方式，将其转化为液态氢储存的技术。液态储氢技术具有以下几个特点：

(1)储氢密度高：液态氢的密度比气态氢高很多，可以将燃料的储存密度提高到更高的水平，从而提高燃料储存的能量密度。

(2)体积小：液态氢具有较小的体积，可以减小燃料储存罐的体积，降低车辆的自重和占用空间。

(3)能量转换效率高：通过燃料的储存能量密度，可以提高燃料电池系统的能量转换效率和车辆的续航里程。

(4)加氢时间短：液态氢可以进行快速加氢，可以满足车辆的高效加氢需求[6]。

液态储氢技术的主要缺点有：

(1)储存成本高：液态储氢技术需要进行氢气的压缩、制冷等处理，成本较高。

(2)安全隐患大：液态氢具有较低的沸点和易燃性，需要采取特殊的安全措施进行储存和运输，否则存在安全隐患。

(3)存在泄漏风险：液态氢存在氢气泄漏的风险，需要采取特殊的泄漏控制措施。

综上所述，液态储氢技术具有储氢密度高、体积小、能量转换效率高、加氢快速等优点，但是成本高、安全隐患大、氢气泄漏等问题也需要引起重视。在液态储氢技术的应用中，需要采取一系列的技术措施和安全措施，以确保氢气的安全储存和运输[7]。

在设计研发过程中，氢系统需要体现供氢压力、罐压力、罐液位、罐警报电压、供氢出口温度、流量、液氢SOC等，燃料电池启动除了车辆高低压信号正常外，还需供氢正常，要求供氢压力达到1 000 kPa以上，液氢SOC不低于5%，罐警报电压在0～5 V等。

图4 供氢压力变化

图5 液氢SOC%变化

6 结语

液氢重卡是一种基于燃料电池技术的新型重型商用车辆。目前液氢重卡技术已经取得了一定进展，燃料电池系统、储氢技术、车辆控制系统等方面都已经有了较为成熟的技术方案。但是，液氢重卡的成本、储氢安全等问题仍然是制约其发展的主要因素。

液氢重卡具有零排放、高效能、低噪声等优点，是未来商用车辆发展的重要方向之一。随着液氢重卡技术的不断成熟和政策的支持，液氢重卡有望在未来逐渐替代传统燃油重卡，成为商用车辆的主流[8]。

液氢与新能源发电结合建立电氢体系，可实现新能源优势互补良性发展，并且在交通能源、储能、工业原料和工业特气等领域都将有广泛的应用。

综上所述，液氢重卡是商用车辆领域的重要发展方向之一，具有广阔的市场前景和技术创新空间。未来需要加强液氢重卡技术的研发和产业化投入，推动液氢重卡技术的发展。