美國(guó)能源部（DOE）發(fā)布燃料電池長(zhǎng)途卡車(chē)技術(shù)發(fā)展路線圖（二）

　　電動(dòng)動(dòng)力總成系統(tǒng)逐漸成為先進(jìn)卡車(chē)技術(shù)產(chǎn)品組合的重要組成部分，美國(guó)能源部（DOE）正在為氫燃料電池卡車(chē)和動(dòng)力電池卡車(chē)設(shè)定詳細(xì)的技術(shù)目標(biāo)。

　　2019年12月12日，美國(guó)能源部燃料電池8級(jí)卡車(chē)發(fā)展目標(biāo)獲得批準(zhǔn)。

　　美國(guó)能源部提出的最新目標(biāo)是2030年燃料電池系統(tǒng)壽命、成本和峰值效率要分別達(dá)到25,000小時(shí)、80美元/千瓦以及68%。

　　以下為技術(shù)目標(biāo)的具體內(nèi)容，氫智會(huì)分六次進(jìn)行推送，今天為第二篇。

　　美國(guó)能源部（DOE）發(fā)布燃料電池長(zhǎng)途卡車(chē)技術(shù)發(fā)展路線圖（一）

　　4、目標(biāo)原理

　　燃料電池系統(tǒng)壽命

　　燃料電池系統(tǒng)壽命的目標(biāo)源于以英里為單位的車(chē)輛壽命耐久性（基于車(chē)輛的總使用壽命），以及車(chē)輛全生命周期內(nèi)的平均行駛速度估算。下面的假設(shè)章節(jié)將討論車(chē)輛壽命假設(shè)。

　　8級(jí)卡車(chē)燃料電池系統(tǒng)的壽命目標(biāo)為30,000小時(shí)，即假設(shè)8級(jí)卡車(chē)按40 英里/小時(shí)的平均行駛速度行駛1,200,000英里的全使用壽命（請(qǐng)參閱下面的假設(shè)部分）。選擇40 英里/小時(shí)作為平均速度是基于以下假設(shè)：通常8級(jí)卡車(chē)有半數(shù)時(shí)間都用于長(zhǎng)途運(yùn)行（通常在高速公路上行駛），隨著車(chē)輛可靠性降低，余下的壽命則更多用于區(qū)域內(nèi)運(yùn)輸（速度較低）。美國(guó)聯(lián)邦公路管理局對(duì)主要的卡車(chē)通道上的500,000輛卡車(chē)的交通量和流量進(jìn)行了研究，州際高速公路上卡車(chē)的平均速度在50英里/小時(shí)-60英里/小時(shí)之間?？ㄜ?chē)在區(qū)域使用中的平均速度為30英里/小時(shí)。

　　這些目標(biāo)并未考慮燃料電池夜間的儲(chǔ)備待用，如果加上就會(huì)在500,000英里的行程中增加多達(dá)10,000小時(shí)的運(yùn)行時(shí)間。直接使用燃料電池滿(mǎn)足儲(chǔ)備待用所需，將要求燃料電池在這10,000小時(shí)內(nèi)以低功率/高電池電壓運(yùn)行，這種使用狀態(tài)會(huì)加速電池的性能衰減。由于燃料電池系統(tǒng)是裝了電池的混合動(dòng)力系統(tǒng)，因此根據(jù)設(shè)想，電池將提供儲(chǔ)備待用，而燃料電池將在斷電之前進(jìn)行間歇性充電或再充電，使得燃料電池能以更有利/低衰減功率水平運(yùn)行，從而降低儲(chǔ)備待用對(duì)電池耐用性的影響。

　　中期燃料電池壽命目標(biāo)是遠(yuǎn)期燃料電池壽命目標(biāo)的80％。

　　定義壽命終止

　　為了定義壽命終止，美國(guó)能源部燃料電池卡車(chē)動(dòng)力總成研討會(huì)討論了可接受的衰減程度。盡管車(chē)輛還可滿(mǎn)足其他用途，但性能衰減會(huì)降低效率、燃料經(jīng)濟(jì)性、裝載量和爬坡速度。為了衡量燃料電池技術(shù)的進(jìn)步，在額定功率下將電壓調(diào)低10%進(jìn)行基準(zhǔn)測(cè)試（這也與美國(guó)DRIVE燃料電池技術(shù)團(tuán)隊(duì)目標(biāo)一致）。

　　4.1燃料電池系統(tǒng)成本

　　通過(guò)參考帶有后處理技術(shù)的高級(jí)柴油機(jī)的制造成本，確定了燃料電池系統(tǒng)的成本目標(biāo)，目前燃料電池技術(shù)的工藝水平預(yù)計(jì)能達(dá)到每年100,000單位的生產(chǎn)量，而簡(jiǎn)單擁有成本，即為卡車(chē)的資本成本加上燃料成本?？ㄜ?chē)的燃料電池成本目標(biāo)高于輕型車(chē)輛（LDV）的燃料電池成本目標(biāo)，主要是因?yàn)榭ㄜ?chē)與乘用車(chē)相比需要更高的耐用性（即卡車(chē)的壽命是25,000-30,000小時(shí)，而乘用車(chē)是8,000小時(shí)），此外與汽車(chē)系統(tǒng)相比，公路卡車(chē)的固定荷重更高，因而需要更大的燃料電池堆。長(zhǎng)途卡車(chē)的燃料成本比卡車(chē)的資本成本高得多，因此為效率提升投資可降低整體擁有成本。

　　阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Argonne）估算了帶后處理技術(shù)的柴油發(fā)動(dòng)機(jī)的成本，這樣的發(fā)動(dòng)機(jī)可滿(mǎn)足8級(jí)卡車(chē)的加速度、爬坡速度和巡航速度要求。成本估算考慮了后處理技術(shù)中的柴油機(jī)氧化催化劑、柴油機(jī)微粒過(guò)濾器和使用柴油機(jī)尾氣（尿素溶液）的選擇性催化還原系統(tǒng)。柴油發(fā)動(dòng)機(jī)和后處理的制造成本約為25,000美元（對(duì)440馬力的發(fā)動(dòng)機(jī)而言）。阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室指定了一種可滿(mǎn)足同樣的車(chē)輛需求的燃料電池系統(tǒng)，即390 kW的燃料電池系統(tǒng)。燃料電池系統(tǒng)的遠(yuǎn)期成本目標(biāo)的設(shè)定與25,000美元柴油機(jī)的成本加上后處理的成本大致相同，即燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)為60美元/千瓦。這與美國(guó)DRIVE技術(shù)小組的假設(shè)一致，燃料電池系統(tǒng)估算不包含電驅(qū)動(dòng)和電力電子組件）。

　　中期和遠(yuǎn)期燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)預(yù)計(jì)可達(dá)每年100,000個(gè)單位的生產(chǎn)率。相關(guān)資料表明，8級(jí)卡車(chē)的市場(chǎng)需求每年約為200,000輛。戰(zhàn)略分析有限公司（SA）估算了現(xiàn)階段（2019年的技術(shù)）、中期（2030年）和遠(yuǎn)期（ 2050年）的8級(jí)卡車(chē)燃料電池系統(tǒng)成本。2019年燃料電池的生產(chǎn)成本預(yù)計(jì)為283美元/千瓦（年生產(chǎn)量為200臺(tái)）。根據(jù)美國(guó)能源部的目標(biāo)要提高效率和耐用性，提高性能降低成本，因此可通過(guò)2019年的技術(shù)分析擴(kuò)展到2030年和2050年的技術(shù)分析。

　　在此分析中，以每平方厘米有效電池面積的瓦數(shù)為單位，系統(tǒng)中預(yù)計(jì)的總體性能提高可歸因于催化劑填充和運(yùn)行壓力降低。盡管還有其他幾種途徑可降低成本，但這些推斷為年生產(chǎn)量為100,000單位的情況下中期目標(biāo)80美元/千瓦、遠(yuǎn)期目標(biāo)60美元/千瓦的設(shè)定提供了依據(jù)。在維持功率密度的同時(shí)，還能成功減少催化劑填充降低運(yùn)行壓力，是將成本降低至目標(biāo)水平的一條可行途徑。

　　燃料電池系統(tǒng)成本分析中使用的關(guān)鍵配置和成本參數(shù)如表2所示。隨著采用的超級(jí)卡車(chē)項(xiàng)目相關(guān)車(chē)輛的改進(jìn)，所需動(dòng)力有望下降。由于電堆確定了燃料電池系統(tǒng)的實(shí)際尺寸（和成本），因而表2也呈現(xiàn)了峰值功率下電堆的狀態(tài)。成本估算基于非專(zhuān)利的代表性的設(shè)計(jì)。提高耐用性的設(shè)計(jì)方法包括足量的催化劑填充和石墨雙極板、適中的工作溫度和較厚的膜。盡管這些設(shè)計(jì)與巴拉德40英尺巴士中使用的電堆設(shè)計(jì)相似（已證明運(yùn)行超過(guò)25,000小時(shí)），但仍需在卡車(chē)應(yīng)用的適當(dāng)條件下對(duì)電堆進(jìn)行評(píng)估。另外，選用大型燃料電池電堆可通過(guò)降低電流密度來(lái)提高負(fù)載效率。這些選擇降低了燃料消耗和散熱要求，但導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)的尺寸更大、成本更高昂。《美國(guó)能源部氫和燃料電池項(xiàng)目記錄17007：燃料電池系統(tǒng)成本2017》和《汽車(chē)應(yīng)用中的直接氫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)批量生產(chǎn)成本估算：2017年更新版》記錄了成本分析方法和當(dāng)前成本狀況的詳細(xì)信息。重卡的成本估算與輕型車(chē)輛成本目標(biāo)一致。

表2 用來(lái)指導(dǎo)成本目標(biāo)的燃料電池系統(tǒng)參數(shù)

　　支撐實(shí)際的擁有成本估算需要更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)姆治觯蛇\(yùn)用簡(jiǎn)單擁有成本（SCO）估算對(duì)高級(jí)柴油技術(shù)和氫燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的總成本進(jìn)行粗略比較。簡(jiǎn)單擁有成本是通過(guò)將卡車(chē)的初始資本成本除以總的壽命里程，加上每英里的燃料成本和每英里的維護(hù)成本而得到的。盡管高級(jí)柴油機(jī)尚未在標(biāo)準(zhǔn)占空比下進(jìn)行廣泛測(cè)試，但現(xiàn)代柴油卡車(chē)的燃油消耗功率已能在平均車(chē)速54 英里/小時(shí)和平均總重55,498磅的條件下達(dá)到10.1英里/加侖（mpgd）。根據(jù)對(duì)EPA 55行駛周期模擬的2020年保守測(cè)算模型，并按36,000磅載貨量計(jì)算，燃料電池卡車(chē)技術(shù)目前可達(dá)到9.4 mpkg（10.7 mpdge）。

　　表3總結(jié)了根據(jù)簡(jiǎn)單擁有成本分析得到的燃油經(jīng)濟(jì)性。簡(jiǎn)單擁有成本分析假設(shè)使用廢熱回收設(shè)備（驅(qū)動(dòng)循環(huán)效率達(dá)54％）將柴油機(jī)峰值效率提高到59％（遠(yuǎn)期目標(biāo)），并在空氣動(dòng)力學(xué)、滾動(dòng)阻力、摩擦損失和附件系統(tǒng)效率方面進(jìn)行改進(jìn)，從而使得柴油卡車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性達(dá)到15.6 mpgd。如對(duì)車(chē)輛的空氣動(dòng)力學(xué)、滾動(dòng)阻力、摩擦損失和附件系統(tǒng)效率（假設(shè)前提是載貨36,000磅和EPA 55的驅(qū)動(dòng)循環(huán)）進(jìn)行相同的改進(jìn)，預(yù)計(jì)高級(jí)（遠(yuǎn)期目標(biāo)）燃料電池卡車(chē)的效率將比柴油發(fā)動(dòng)機(jī)提高16％（即66％燃料電池×95％電動(dòng)機(jī)= 62.7％燃料電池驅(qū)動(dòng)循環(huán)效率vs. 54％柴油驅(qū)動(dòng)循環(huán)效率），達(dá)到17 mpkg（19.4 mpgde）。根據(jù)阿貢國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的分析可知，電池和燃料電池共同供電的氫卡車(chē)由于進(jìn)行了再生制動(dòng)和動(dòng)力總成效率提高了約16％，因此總體燃料經(jīng)濟(jì)性的提高比柴油卡車(chē)多24％。請(qǐng)注意，柴油卡車(chē)也可以從混合動(dòng)力中受益，燃料電池和其他先進(jìn)技術(shù)需要進(jìn)步得更多，才能與現(xiàn)有技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展相匹敵。下面的“燃料經(jīng)濟(jì)性假設(shè)”部分給出了燃油經(jīng)濟(jì)性假設(shè)基本原理的更多詳細(xì)信息。

表3 簡(jiǎn)單擁有成本分析的燃料經(jīng)濟(jì)性

　　其中，燃料電池驅(qū)動(dòng)循環(huán)效率包括95％的電動(dòng)機(jī)效率。

　　根據(jù)美國(guó)能源部對(duì)遠(yuǎn)期輸氫成本的目標(biāo)（4美元/公斤），再加上2015年調(diào)整后的通貨膨脹率和0.50美元的稅費(fèi)，因而氫的成本定為5美元/公斤。根據(jù)2018年美國(guó)能源信息署年度能源展望2050年預(yù)測(cè)，柴油成本預(yù)計(jì)為4.09美元。

　　根據(jù)燃料經(jīng)濟(jì)性和燃料成本，對(duì)比17.0 mpkg的燃料電池卡車(chē)與15.6 mpgd的柴油卡車(chē)，在1,200,000英里壽命中使用燃料電池卡車(chē)能比使用高級(jí)柴油卡車(chē)節(jié)省約33,000美元的壽命全部燃料成本。

　　燃料電池卡車(chē)的成本要比帶有廢熱回收的高級(jí)柴油卡車(chē)低約2500美元，原因是：

　　1）實(shí)現(xiàn)60美元/千瓦的燃料電池系統(tǒng)成本目標(biāo)

　　2) 氫氣存儲(chǔ)成本為266美元/公斤

　　3) 根據(jù)2025年電動(dòng)牽引驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的6美元/千瓦輕型車(chē)輛成本目標(biāo)，乘以系數(shù)2以適用于重型卡車(chē)應(yīng)用，故電動(dòng)牽引電機(jī)和電力電子產(chǎn)品成本為12美元/千瓦。

　　由于供應(yīng)鏈和服務(wù)網(wǎng)絡(luò)尚未完全成熟，燃料電池卡車(chē)動(dòng)力總成的維護(hù)成本未知，不過(guò)行業(yè)反饋表明，燃料電池動(dòng)力總成的維護(hù)成本最終將介于較低的電池電力動(dòng)力總成維護(hù)成本和較高的柴油動(dòng)力總成維護(hù)成本之間。盡管巴士的維護(hù)可能與卡車(chē)不同，但仍有一些數(shù)據(jù)可用于具有相似動(dòng)力總成的巴士。圖4呈現(xiàn)了多種巴士動(dòng)力總成技術(shù)的維護(hù)比較。表4顯示了此數(shù)據(jù)集中包含的運(yùn)輸公司和巴士。燃料電池巴士驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的維護(hù)成本似乎在曲線下降，但在使用了四年后仍比成熟的柴油技術(shù)要高。勞動(dòng)力、技能、零件數(shù)量和供應(yīng)商競(jìng)爭(zhēng)這些要素可能還需要至少十年的時(shí)間才能成熟。美國(guó)運(yùn)輸研究所發(fā)布了《卡車(chē)運(yùn)營(yíng)成本分析：2018年更新版》。報(bào)告稱(chēng)，2017年的維修及維護(hù)成本為0.167美元/英里，在2009年的0.123美元/英里的基礎(chǔ)上穩(wěn)定增長(zhǎng)（輪胎成本是單獨(dú)的，不包含在此數(shù)據(jù)中）。

　　就簡(jiǎn)單擁有成本而言，我們假設(shè)柴油和氫遠(yuǎn)期應(yīng)用的維護(hù)成本為0.17美元/英里。我們將氫中期應(yīng)用的維護(hù)成本提高了25％（至0.21美元/英里），目前氫應(yīng)用的維護(hù)成本比柴油車(chē)貴了50％（至0.25美元/英里）。

表4 維護(hù)數(shù)據(jù)中的項(xiàng)目概述