张坚

摘 要：我国2019年《政府工作报告》提出“推动充电、加氢等设施建设。”是氢作为能源首次写入《政府工作报告》。氢能以来源丰富、绿色环保、可存储、高能量等鲜明特征，被公认为21世纪的终极能源。本文旨在研究福建首条氢能公交示范探索过程的具体方案和结果。

关键词：氢能

1 引言

迄今为止，人类社会目前已历经了三次翻天覆地的工业革命，即蒸汽时代、电气时代、信息时代。人类文明每一次重大进步都伴随着能源的改进和更替，以及全球产业的大转移和国际格局的大调整。1769年瓦特发明了蒸汽机，使用煤炭，推动了第一次的工业革命;1873年大功率的电动机发明，电力的应用进到千家万户;之后石油、汽油、柴油得到广泛应用，而内燃机的发明和使用更是推动了新的工业革命进程。当下世界，以绿色高效能源为核心的第四次工业革命已经拉开序幕，新的能源使用方式将引领全方位的革新，重塑21世纪的能源产业结构。第四次工业革命对中国来说是最大的历史机遇，在这种变革的关键时刻，氢能成为了中国面对能源挑战实现崛起的可行出路。

创立十余年的S公司，坚信只有持续改进，不断创新、推动转型升级，才是实现有质量、有效益、可持续发展的根本出路。2016年笔者加入S公司，着手组建氢能与燃料电池团队，2017年S公司与金龙客车签订战略合作协议，共同开发氢燃料电池大巴，包括不同长度段的城市公交、旅游客运、团体通勤等车型，双方共同推动福建省首条氢能公交示范线开通。

2 福建首条氢能公交示范线的背景

2.1 氢能作为新兴能源其安全应用已十分成熟

在地球上，氢是大量存在的元素，构成了宇宙质量的75%。氢能是无碳、无毒的绿色能源，氢能从生产到利用过程均能实现零排放、零污染。氢的质量热值是所有化石燃料、化工燃料和生物燃料中最高的，为120.1MJ/kg，是汽油的3倍。在标准状态下，1L氢气的质量为0.089g。同体积的氢气，质量约是空气的1/14，天然气的1/10。即使有少量的氢气泄漏也会很快逃逸，而不像汽油蒸汽挥发后滞留在空气中不易疏散，且其泄露能量和爆炸当量较低，可以说氢气要比汽油和LNG更加安全。氢气作为工业气体已经有很长的使用历史，安全规范完整，有标准的操作规程。从氢气的充装到运输的各个流程，都配有完善的安全装置和详细的操作规范，有效降低储运危险性。

近年来，氢能源以绿色环保、高能量的鲜明特征，在全球能源格局调整与气候变化应对中发挥着越来越重要的作用。氢与氧发生化学反应产生电力，此过程生成的物质只有水。目前，制氢、储氢、加氢和燃料电池等多个环节中的装备和关键技术都有一定的突破，整体催生了氢能经济的吸引力。

2.2 福建政策引导，探索氢能汽车示范应用

美国、加拿大、日本、韩国等国家，已陆续出台氢能及燃料电池相关政策及发展规划。近年来我国也愈发重视氢能发展，以广东、上海、湖北、江苏为代表的地方政府持续推出一系列扶持政策，推动氢能产业及企业快速落地。据统计，2019年全国4个直辖市10个省份30个地级市先后出台相关政策。

福建是全国首个生态文明先行示范区，2017年9月，省政府印发了《福建新能源汽車产业发展规划（2017—2020）》（闽政【2017】36号），以战略性、前瞻性的视野，抢占机遇，积极推进我省新能源汽车产业发展，实现汽车行业转型升级、跨域发展。2019年3月福建工业和信息化厅发布“2019年全省新能源汽车推广应用和产业发展工作要点的通知”（闽工信装备【2019】48号），进一步明确福州市积极开展氢燃料动力电池汽车示范应用。福州市高度重视氢能产业布局发展，2019年初成立了福州市氢能产业发展专项工作领导小组，负责制定氢能基础设施建设、示范运营推广等发展规划和实施细则，逐步建立起全市上下共同谋划推进氢能产业链布局的工作机制。

3 燃料电池发动机系统设计开发

3.1 燃料电池发动机系统设计集成

2017年S公司与K客车签订战略合作协议，考虑到目标市场是Z市城市公交使用（最高车速69km/h），两方协商共同开发首款产品为8.5米氢燃料电池大巴。并明确分工，S公司负责车载30kW燃料电池发动机系统开发，K客车完成燃料电池客车整车结构布置以及整车控制策略研发。

S公司将燃料电池发动机系统，进一步拆分成六大子系统，分别为一燃料电池电堆、二空气供应系统、三监控系统、四辅助系统、五电能变换设备、六氢气系统，各个装置的主要功能和设备详细构成见表1所示，结构组成见图1。将系统开发过程分成5个阶段：

（1）根据整车功率以及布置要求，开展30kW燃料电池发动机系统集成设计。主要内容包括：总体结构设计，提高系统集成度;完成空气供应系统、氢气系统和辅助系统设计选型，实现系统外部接口设计，完成氢、氧、水、电的排放和交互;产品连接电气原理图，系统CAN网络拓扑结构设计，达到提高系统响应速度、能量转换效率和供电品质;发动机关键工艺技术研究，满足发动机模块化设计及可靠性、维修性需求。

（2）开展30kW燃料电池发动机热管理系统设计及评测方法研究。具体内容包括：设计适用于车用氢燃料电池系统的高效热管理系统，使氢燃料电池在运行时能够稳定在安全的温度区间。

（3）开展30kW车载DCDC变换器设计及评测方法研究。具体内容包括：研究30kW 车载DCDC变换器电气隔离结构，确定隔离结构设计;开展DCDC变换器制造工艺研究，确定关键制造工艺;进行适应客车工况的DCDC变换器的适应性研究;完成30kW 车载DCDC变换器的典型试验和测试试验，取得相关认证。

（4）开展30kW燃料电池发动机多合一控制器设计及评测方法研究。具体内容包括：研究燃料电池控制器的低功耗、低成本、小体积实现，确定控制器的器件选型;研究燃料电池控制器的电气隔离结构，在兼顾体积尽量小、稳定可靠、电磁兼容的原则上，确定控制器的硬件结构布局;研究燃料电池控制器的响应速度快、控制精度高、运行稳定实现，确定控制器的制作工艺和材料要求;研究燃料电池控制器的相关测试标准，取得相关认证。

（5）根据整车续航里程以及布置要求，开展车载氢系统集成设计及评测方法研究。具体内容包括：研究车载储氢瓶组的应力分析，利用仿真软件随机振动三个方向、静力8g加速度冲击六个方向进行分析计算，确保结构设计可靠性;加氢口、氢系统的典型试验，如常温压力循环试验、跌落试验、气密试验、疲劳试验和水压爆破试验等;取得供氢系统国家强检报告，氢气瓶提供压力容器相关的所有制造、监检和质量批次证书。

3.2 燃料电池发动机强检试验

2018年11月，S公司研制30kW燃料电池发动机样机并送国家机动车检测中心进行强检试验，为下一步整车申请公告、工业和信息化部目录以及公司开发大功率燃料电池发动机在重卡、轿车上应用，积累数据奠定技术基础。

燃料电池发动机性能需满足国家标准一GB/T 24554-2009《燃料电池发动机性能试验方法》，具体项目包含：1 起动特性试验、2功率试验、3动态响应特性试验、4稳态响应特性试验、5紧急停机功能测试、6气密性测试、7质量测试、8绝缘电阻测试、9额定输出功率测试;以及国家标准二GB/T 33978-2017《道路车辆用质子交换膜燃料电池模块》中高低温储存试验等。2019年1月燃料电池发动机取得强检性报告，如下图2。

3.3 整车强检试验和公告目录申请

2019年初金龙客车8.5米氢燃料电池大巴进入整车试装，整车采用承载式车身、3H金钢封闭环结构，应用Q700高强钢，车辆骨架结构安全性优越;整车采用燃料电池+动力电池的电电混合能量匹配方案，搭载高性能质子交换膜燃料电池，具备高安全性、高经济性、高可靠性;设立氢燃料电池客车专用监控平台，可对燃料电池系统的运行状态进行实时动态监测，确保运行安全;整车控制系统采用了多能源耦合能量分配控制技术、燃料电池控制技术、氢-电-结构安全耦合技术等先进技术，具备多重安全保障。

2019年4月8.5米氢燃料电池大巴送国家机动车检测中心进行强检试验，随后立即申请公告和工业和信息化部推荐目录、购置税减免目录、车船税减免目录和环保目录。2019年5月，工业和信息化部发布《道路机动车辆生产企业及产品（第320批）》，首款8.5米氢燃料公交XMQ6850AGFCEV正式发布。该客车燃料种类为氢气，燃料电池系统额定功率30kW，驱动电机额定功率59kW，峰值功率150kW。当氢系统不工作时，续航里程为230km;氢系统工作时，续航里程可达460km。如下图3。2019年7月，工业和信息化部发布《道路机动车辆生产企业及产品（第322批）》，第二款8.5米氢燃料公交XML6855JFCEV10C正式发布。该客车燃料种类为氢气，当氢系统不工作时，续航里程為120km;氢系统工作时，续航里程可达700km。

4 结论

2019年11月4号6时20分，福建省首批氢燃料电池城市公交上线于Z市616路。氢能公交刚开始示范运营，就引起众多市民迫不及待赶来尝鲜，抢先感受这一高科技产品的魅力。如下图4，晚上20时38分，闽运公交公司袁师傅把奔波了近14个小时的氢燃料电池大巴停在终点站祥州村附近的停车场站，全天总行驶里程198公里，百公里耗氢约4.2kg。按目前70元/公斤的氢气价格，每公里成本约3元。氢气被存储在车顶的储氢罐中，行驶时，氢气在燃料电池中，通过催化剂的作用，与空气中的氧气发生化学反应，产生电能。

首批氢燃料电池公交正式上线，标志着福建氢能产业发展进入一个新的里程，初步打通涵盖氢气制备、储运、燃料电池系统、整车制造和加氢站建设运营在内的氢燃料电池汽车产业链，为下一步规模化推广应用打下良好的基础。

参考文献：

[1]燃料电池汽车：新能源汽车最具战略意义的突破口/程振彪著。——北京：机械工业出版社，2016.

[2]氢气生产及热化学利用/毛宗强，毛志明著——北京：化学工业出版社，2015年.