2015年美國燃料電池客車發(fā)展報告

本文總結(jié)了2015年美國燃料電池客車(FCEB)的進展,并且討論分析了燃料電池作為客車運輸動力所獲得的成就及所面臨的挑戰(zhàn)。同時美國國家可再生能源實驗室(NREL)也對燃料電池客車(FCEB)項目給出評估。

從2014年8月到2015年7月,美國燃料電池客車總計運行公里數(shù)超過1045000英里,運行時間超過83000小時。當然燃料電池客車(FCEB)目前還不算正式的商業(yè)產(chǎn)品,NREL認為這些燃料電池客車(FCEB)還處于技術成熟度TRL7,這就是說,產(chǎn)品正在現(xiàn)實相關環(huán)境中接受全面驗證與檢測。對于這些項目,制造商的目的是驗證燃料電池客車是否能夠滿足技術目標,并且解決驗證過程中出現(xiàn)的問題。目前,相較于傳統(tǒng)柴油車和壓縮天然氣技術,燃料電池客車技術成本,生產(chǎn)和運營都還非常高。

NREL也收集了處于TRL6的兩款FCEBs的測試數(shù)據(jù)。這項示范工程開始于2014年,作為早期開發(fā)產(chǎn)品,這些設計進行一些較早的驗證分析。在這驗證分析過程中,制造商在交通部門的幫助下完成了實地測試和在真實環(huán)境中測試其實際性能。

NREL還收集了傳統(tǒng)客車的數(shù)據(jù)來與這些FCEB的測試數(shù)據(jù)進行對比。東灣交通局的客車是柴油車,陽光線路交通公司的客車燃料是壓縮天然氣。NREL收集了這兩種客車運行在與FCEBs近似工況下的數(shù)據(jù)。

美國能源部(DOE)和聯(lián)邦交通運輸局為FCEB制定了性能和成本目標。這些目標的制定有企業(yè)的參與,包括近期2016年的目標,還有最終商業(yè)化的目標。FCEB技術會朝著成本降低,實用性和可靠性增強的方向前進。表ES-1 列出了FCEB的性能及其目標。

a.從2014年8月到2015年7月收集到的數(shù)據(jù)。

b.累計到2015年8月為止,這些客車實際沒有達到壽命結(jié)束的時間。

c.關于DOE/FTA目標,動力源壽命的定義是燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)包括輔助設備支持,如空氣、燃料、冷卻劑和控制器。動力系統(tǒng)的電子設備,電機和氫罐也包括在內(nèi)。

d.動力系統(tǒng)壽命小時數(shù)只針對燃料電池系統(tǒng),蓄電池壽命小時數(shù)不可用。

e.最高壽命是從老一代客車,累計行駛超過6000小時,換算而來。

f.多個連續(xù)的燃料加注不會使得燃料加注時間變長。

g.成本目標是在年產(chǎn)量為400下計算出的。產(chǎn)品總量假設只是用于分析目的不代表將來實際生產(chǎn)銷售水平。

h.排除中期壽命檢修。

i.基于節(jié)約燃料和95%油箱容積。

DOE/FTA制定了未來4到6年(或者說25000小時)燃料電池動力系統(tǒng)的耐久性終極目標,以及2016年18000小時的中間目標。在2014年,制造商向目標邁進了一大步。在本報告的結(jié)尾,NREL證明燃料電池已經(jīng)達到20000小時壽命,超過了2016年的目標值。在觀測的16個燃料電池動力系統(tǒng)中,75%(12個)已經(jīng)超過10000小時的使用壽命,平均累計為10102小時。

2014年8月到2015年7月,各個站點所得到的關于客車的可用性波動較大,最低值為40%,最高值92%,平均值為74%,較上一年(70%)略有上升。本年度的問題主要集中在擋風玻璃和冷卻泵,而上一年度的問題集中在混合系統(tǒng)、蓄電池和燃料電池系統(tǒng)。

相較于傳統(tǒng)客車,基于相同工況,FCEBs在經(jīng)濟性上還是占優(yōu)勢的。FTA為FCEB制定的燃料經(jīng)濟性目標是等效8英里每加侖柴油,這是傳統(tǒng)客車經(jīng)濟性的兩倍。而本年度實際測得數(shù)據(jù)表明其燃料經(jīng)濟性是傳統(tǒng)柴油客車(東灣交通局)的1.6到1.73倍,是壓縮天然氣客車(陽光軌道公司)的1.95 倍。而上一年度FCEB的平均燃料經(jīng)濟性為5.8英里每加侖。

FCEB性能還將繼續(xù)提高,但是在這過程中也遇到了一些挑戰(zhàn),如: 

零部件的集成與優(yōu)化。系統(tǒng)集成和優(yōu)化問題已經(jīng)成為FCEB發(fā)展的一個阻礙。交通部門已經(jīng)和制造商緊密溝通來確定故障問題,新的診斷工具也開始發(fā)揮作用,但是仍有部分故障很難診斷,從而延長了FCEB的停工期。

維護工人的培訓。燃料電池大巴的商業(yè)化使得制造商必須對相關員工進行FCEB的知識培訓。陽光線路交通公司的員工已經(jīng)參與大部分燃料電池維護工作好幾年了,最早可以追溯到2000年,所以員工們能很快適應FCEB的維護工作。去年東灣交通局也成功完成了其員工針對FCEB的培訓工作,并制定了服務與維護手冊,研發(fā)出了無線定位工具,還有其他一些資源來解決FCEBs實際運行過程中可能會遇到的問題

將FCEB與現(xiàn)有的標準化客車生產(chǎn)體系整合。要真正實現(xiàn)FCEBs的商業(yè)化,還需要其能兼容現(xiàn)有的基礎設施。英國宇航系統(tǒng)公司研發(fā)部門,巴拉德和埃爾多拉多  National公司聯(lián)合接下了美國FCEBs的訂單,這些客車將在埃爾多拉多  National工廠用生產(chǎn)傳統(tǒng)客車的流水線上完成裝配。新飛鳥公司公司宣布計劃研發(fā)下一代FCEB,該公司目前已經(jīng)完成了40英尺長的客車組裝,并且完成了交通部門的測試。它們下一代FCEB是基于蓄電池的純電動客車,同時該車型也被用于公司旗下柴油、壓縮天然氣和氫能客車,所以這幾款車都共享了很多零件和模塊。該種方案也有利于在發(fā)生問題時,更快的定位故障并分析出解決辦法。

FCEBs成本。實際上FCEB的維護成本很低,因為處在保修期內(nèi),這些FCEBs的維護責任大部分落在生產(chǎn)商身上。但是超過保修期后,這些客車的維護成本將變得不確定。這需要交通部門來制定一系列相關標準來明確,也需要制造商積極改進技術以降低維護成本。

NREL計劃繼續(xù)監(jiān)測和評估東灣交通局和陽光線路交通公司的示范項目。另外,2016年也有另外幾項示范項目開始進行。

美國燃料電池客車進展

 表2列出了目前美國進行的FCEB示范項目。這些項目主要是驗證并改進FCEB的可用性和穩(wěn)定性。截至2015年8月,24輛FCEBs遍布在美國進行各自的示范項目。

a.藍色底紋表明項目有NFCBP參與。

b.截至2015年8月,總客車數(shù)量實際仍在使用的。

國家燃料電池客車項目(NFCBP)NFCBP是由FTA在2006年建立的,已經(jīng)持續(xù)多年的項目,其建立的燃料電池客車示范項目遍布全球。接下來的4年還將投入基金,其總基金已接近9億美元。其示范項目包括燃料電池客車示范項目,零部件研發(fā)計劃以及其他拓展計劃。三個非盈利組織——CALSRART(美國加州),交通與環(huán)境研究中心(英國喬治亞州)和東北先進車輛(美國馬薩諸塞州)共同負責這些項目的進行。NREL作為第三方評估者來評估這些示范項目的可用性。

NFCEBP建立的示范項目為表2中藍色底紋顯示。表3列出了剩余的在接下來幾年即將開展的示范項目。

在NFCEBP之前,FTA已經(jīng)在全國的幾所大學和交通部開始了燃料電池研究。“TIGGER”項目在美國交通部生產(chǎn)了許多零排放客車。其中大多數(shù)是蓄電池電動客車,但是陽光線路交通公司和Flint MTA也有FCEBs。表2中所列的示范項目也屬于“TIGGER”項目,這些項目都吸取了陽光線路交通公司FCEBs經(jīng)驗。

FTA的最新項目是低或者零排放汽車發(fā)展計劃——LoNo計劃。該計劃為購買或租賃零排放和低排放汽車(電動車和燃料電池汽車都可以)提供基金。初步目標是發(fā)展美國最清潔的公共交通客車。十個項目已經(jīng)在美國各地展開,總計5400萬美元的基金將投入到這些項目中。這些項目提供總計60輛客車來完成整個計劃:10輛FCEBs,33輛純電動電動車和17輛混動電動汽車。

FCEB 發(fā)展進程——技術成熟度等級

在2012年的報告,NREL介紹了一份關于燃料電池客車技術成熟度(TRL)的參考文件。這份文件是基于2011年出版的技術成熟度等級技術成熟度評估指南4。圖1 展示了這個過程。

示范工程和試運行階段屬于TRLs 6 到8,這是一個循環(huán)的過程,需要不斷優(yōu)化直到完成驗證。制造商和交通部的主要工作就是進行客車的測試。同時他們需要根據(jù)測試結(jié)果不斷更新設計,以保證最終結(jié)果能達到要求。這是一個極其耗費時間的過程,同時還伴隨著許多需要解決的技術困難。

那些進行小批量制造的新的制造商團隊還處于示范工程和試運行的初級階段。根據(jù)之前的報道,新的制造商團隊設計的原型客車仍處于TRL 6,第二代處于TRL 7。

在開發(fā)過程中,FCEBs與真正的商業(yè)產(chǎn)品還存在一定區(qū)別。制造商對這些處于開發(fā)階段的客車設定的目標只是用于驗證其性能是否可以滿足標準或者說還有哪些問題需要解決。從目前的生產(chǎn)和運作成本上,FCEBs比傳統(tǒng)柴油客車要高很多。但必須承認傳統(tǒng)柴油發(fā)動機技術已經(jīng)非常成熟處在TRL9階段,而FCEB還仍然處在開發(fā)階段。一旦技術進步,比如FCEBs性能達到目標,那么產(chǎn)業(yè)化將幫助FCEBs快速的降低成本。當初柴油客車和壓縮天然氣(CNG)客車也是這樣一步一步走過來的。

表4列出了NREL正在對其進行評估的4個FCEB制造商團隊,以及他們制造的車的部分信息。

萬伍爾——該公司旗下的客車是基于早期的萬伍爾 FCEB,并且包括了西門子ELFA混動系統(tǒng),US Hybrid 燃料電池系統(tǒng),以及EnerDel的能量儲存系統(tǒng),例如在美國康涅狄格運行的東灣交通局的ZEBA客車。如同之前報道,這種設計在TRL7中都屬于第二代設計,因為本次評估中有16輛客車都是基于早期的FCEB改進而來的。

埃爾多拉多——NFCBP研發(fā)的FCEB是和巴拉德和埃爾多拉多共同設計完成的。同時這也證明了混合電力推進系統(tǒng)是可以被應用在客車上,具有商業(yè)化能力。該客車的原型車是在陽光線路交通公司運行三年的FCEB。在TIGGER項目基金的幫助下,制造商團隊又研制了2輛FCEBs交付陽光線路交通公司進行運營來觀測并評估其性能。截至目前,共5輛FCEBs已經(jīng)完成,同時許多預定的FCEBs也正在生產(chǎn)中。一旦所有預定的FCEBs完成,那總數(shù)量將會達到20輛。該車作為第二代產(chǎn)品處于TRL7水平。

普羅泰拉——該公司的FCEB是從NFCBP早期的客車升級而來。普羅泰拉公司利用制造第一代客車的經(jīng)驗升級了早期客車。普羅泰拉公司的早期客車產(chǎn)品是一款集快充功能的可插電式純電動客車。在純電動客車的基礎上,添加燃料電池系統(tǒng)部件,作為蓄電池的供電系統(tǒng),這樣就可以極大的延長了該車的續(xù)駛里程。NREL認為改款車處于原型車TRL6水平。

美國電動車——公司旗下的客車由嵌入式動力設計,采用了巴拉德燃料電池系統(tǒng)和鋰電池技術。該車總長度32英尺,在美國電動車組裝。該車設計來源FTA大學的一個研究項目,但是由于團隊原因?qū)е聦嶋H完成時間被推遲了。另外,這個項目也獲得了NFCBP的基金資助,在英國伯明翰和美國阿拉巴馬州完成示范計劃。該車處于早期原型車設計階段,處于TRL6水平。

埃爾多拉多和普羅泰拉都為美國市場生產(chǎn)客車,并且產(chǎn)品能夠滿足“Buy America”要求。另外兩家制造商對于旗下產(chǎn)品能否占有美國市場還不清楚。美國電動車目前已經(jīng)破產(chǎn),萬伍爾 主要市場在比利時。不過,混動系統(tǒng)供應商不在乎這些制造商的運行情況,因為會有新的制造商進入這個市場,例如新飛鳥公司。

2015年的評價結(jié)果

從示范項目獲取的關于FCEBs數(shù)據(jù),我們根據(jù)TRL將數(shù)據(jù)信息分成兩部分。

處于TRL 7的FCEBs表5列出兩款FCEB及其部分參數(shù),其實車見圖2,點擊2015年美國燃料電池客車發(fā)展報告(第一部分)查看。

客車

普通客車的數(shù)據(jù)將會用來和FCEB的數(shù)據(jù)進行對比。東灣交通局進行的初級對比是用和FCEB相同車型的柴油車: 萬伍爾柴油客車的大部分參數(shù)與FCEBs類似,是用來做對比測試的最佳選擇。但是萬伍爾柴油客車運行的總里程超過FCEBs四倍,而且已經(jīng)超過保修期了。它們已經(jīng)到了“中年”階段,維護費用開始顯著增長。Gillig客車很新而且總行駛里程也與FCEBs很接近。所以Gillig客車是一個很好的對比對象。陽光線路交通公司的CNG客車也可以用來作為對比對象。

本報告中的數(shù)據(jù)時間——本報告數(shù)據(jù)采集時間為2014年8月到2015年7月

總里程和總時間

表 6 列出了FCEBs的總里程、時間、平均速度和每輛車每月運行里程。陽光線路交通公司的AFCBs有更高的平均速度:13.7英里/小時,而東灣交通局的ZEBA平均速度較低為8.9英里/小時。

客車使用

圖 3 展示了平均每月FCEB客車和普通客車的使用對比情況,兩個交通機構(gòu)都在繼續(xù)他們的FCEB車輛的運行以達到運行目標值:3000英里,但是FCEBs運行時間還是少于普通客車。

可用性

可用性是客車實際可用的天數(shù)占計劃總天數(shù)的百分比。東灣交通局計劃每天都要正常運行,陽光線路交通公司計劃在工作日正常運行,但實際中陽光線路交通公司在周末也會運行FCEBs。表 7 列出了他們得到的可用性數(shù)據(jù)。

圖 4 跟蹤記錄了FCEB每個月的可用性數(shù)據(jù)。

東灣運輸局ZEBA FCEBs(深藍線)的可用性在整個過程中都超過了70%。在早期,東灣運輸局的可用性是逐漸增長的。但是到了后期,其可用性開始下降,這是因為2輛FCEBs的燃料電池出現(xiàn)了問題。該問題很難去診斷和解決,所以這2輛直到評估結(jié)束也沒有恢復運營。

陽光線路交通公司的FCEB可用性在整個過程始終在波動。FCEB的問題包括客車系統(tǒng)的壓縮機和擋風玻璃。動力系統(tǒng)導致的停機原因包括電池在原型車上的更新、系統(tǒng)在另外兩輛車的升級等。燃料電池系統(tǒng)的問題主要是輔助系統(tǒng)組件的故障。

圖 5 中,每個獨立塊代表著導致可用性問題的原因。實際上,東灣運輸局和陽光線路交通公司并沒有提供每天產(chǎn)生問題的具體原因。所以圖中的分類也只是基于當時分析問題追溯到的原因。有時一個問題到最終解決的時候才發(fā)現(xiàn)其原因可能是系統(tǒng)問題,而并不是當時追溯的原因。考慮到這個問題,NREL會在查明真正問題原因后,改變一些當時不確定原因的問題分類。東灣交通局的主要問題是燃料電池系統(tǒng)和車本身。而陽光線路交通公司主要問題是混動系統(tǒng)和車本身。

燃料經(jīng)濟性

表 8 展示了每種FCEB和普通客車在相同條件下等效每加侖燃料行駛的英里數(shù)。東灣交通局ZEBA客車比萬伍爾柴油客車高1.7倍,比Gilling柴油客車高1.6倍。

圖 6 展示了去年每個月的燃料經(jīng)濟性,FCEB與傳統(tǒng)客車在相似的運行條件下進行比較。

可靠性——Roadcalls之間的英里數(shù)

在路途中發(fā)生故障,導致客車班次時間發(fā)生延遲可以被稱為roadcalls。圖 7 展示了發(fā)生兩次roadcalls之間客車正常的英里數(shù)(MBRC)。深藍色點線表示DOE/FTA為普通客車設定的目標,綠色點線是為FCEBs設定的目標,亮藍線是為客車動力系統(tǒng)設定的目標。

氫燃料

NREL也記錄了FCEBs在整個運行過程中氫燃料的消耗量。圖 8 展示了兩家公司過去一年氫的消耗量。截至目前,兩家公司的加氫量已經(jīng)超過221000千克,而上述兩家公司FCEBs總加氫次數(shù)為3547次,總加氫量72854千克。這些FCEBs平均每次加氫20.5千克。

FCEB現(xiàn)狀:成就與挑戰(zhàn)

隨著FCEB的相關技術在逐漸進步,可用性在增強,可靠性也在提高并接近目標。

接近技術目標的過程2012年,DOE/FTA為燃料電池技術在客車上的應用設定了目標。中期目標完成時間是2016年,最終目標是能夠與現(xiàn)在傳統(tǒng)客車有相當?shù)纳虡I(yè)競爭力。表 11 列出了FCEBs具體的各項目標。

a. 子系統(tǒng)(動力系統(tǒng)和儲氫)的成本不包括在內(nèi)。

b.動力裝置分為燃料電池系統(tǒng)和蓄電池系統(tǒng)。

c. 成本是基于每年400輛產(chǎn)量來考慮的,這只是一個假設并不是實際產(chǎn)量。

d.不包含動力裝置更換。

客車和動力系統(tǒng)壽命FTA為FCEBs設定的壽命是12年或500000英里,燃料電池動力系統(tǒng)必須達到上面的一半,這些設定參照柴油客車中期壽命。DOE/FTA為燃料電池動力系統(tǒng)設定的最終目標是4-6年,或者持續(xù)25000小時,但是中期目標是2016年能達到18000小時。去年報告中,NREL的記錄是17000小時無換修。今年的報告,關于燃料電池動力系統(tǒng)無換修記錄是20000小時。圖10 展示了陽光軌道交通公司和東灣交通局FCEBs的燃料電池系統(tǒng)運行的總小時數(shù)。在16輛FCEBs中75%(12輛)超過了10102小時。

客車可靠性

平均來看,FCEBs的可靠性為74%,較去年有所上升。在運行過程中,大部分問題集中在擋風玻璃和冷卻泵。而2014年,兩家公司出現(xiàn)問題主要集中在氫燃料電池系統(tǒng)、蓄電池和混動系統(tǒng)上。有時候因為難以確定問題而導致維修時間過長,例如某時候當我們花費大量時間檢測某個系統(tǒng),而最終發(fā)現(xiàn)問題是另一個系統(tǒng)導致的。所以維護工人需要繼續(xù)學習燃料電池系統(tǒng)的維修,以避免出現(xiàn)上述問題。

燃料加注

交通公司每天晚上都會對客車進行燃料加注和維修以保證第二天的運行,所以這就意味著所有客車每天都有6到8小時的維護時間。當對客車進行燃料加注的時候,維護工人可以對客車進行檢修,例如清潔燃燒室。平均清潔一輛客車需要十分鐘,所以燃料加注時間必須少于十分鐘。兩家公司對每輛客車每天至少加注燃料一次,同時實際加注時間由于各個加注站不同而有所不同。陽光軌道交通公司的加注站平均每次需要22分鐘,大約每分鐘加注1kg氫氣。東方交通局每次加注時間不超過十分鐘,能達到每分鐘加注5kg氫氣。

客車成本

現(xiàn)在來看,FCEB的成本還是非常的高昂。DOE/FTA設定的目標是,2016年每輛客車成本下降至100萬美元,而最終目標是每輛客車60萬美元。隨著FCEBs訂單數(shù)量增長,平均生產(chǎn)成本會下降。最近兩家公司對FCEB的訂單顯示,每輛客車成本是180萬美元,更早時候是240萬美元。隨著未來訂單持續(xù)增長,客車的成本還會進一步降低。預計項目未來還需要40輛客車,這有可能使得成本下降至100萬美元。

運行時間

DOE/FTA為客車設定的目標是每周7天,每天20小時。兩家公司報告稱這些客車都是盡可能的保證每天運行21個小時。東灣交通局客車行程安排是每天3至21個小時。實際平均運行時間每天不超過12個小時,而且每周運行天數(shù)是5至7天。

對2016年展望

這份報告總結(jié)了4種不同設計的燃料電池客車。在接下來一年,幾種新的燃料電池客車示范也將開始,同時NREL也將繼續(xù)和DOE、FTA一起監(jiān)測與評估。關于這幾種新的燃料電池客車的設計和示范地點在接下來的年度報告中將會公布,因為這關系到燃料電池客車的發(fā)展。NREL計劃完成更詳細的報告來匯報各個示范項目。

另外,對于目前的FCEBs,接下來還將繼續(xù)進行以下示范項目:

?波士頓的馬薩諸塞灣交通局關于下一代AFCB的示范項目

?美國加州大學歐文分校有關示范項目

如果能獲得足夠的數(shù)據(jù)來完成其他報告,NREL將總結(jié)這些報告。

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