2015年美國燃料電池客車發(fā)展報告(第一部分)

本文總結(jié)了2015年美國燃料電池客車(FCEB)的進(jìn)展，并且討論分析了燃料電池作為客車運(yùn)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(yùn)行公里數(shù)超過1045000英里，運(yùn)行時間超過83000小時。當(dāng)然燃料電池客車(FCEB)目前還不算正式的商業(yè)產(chǎn)品，NREL認(rèn)為這些燃料電池客車(FCEB)還處于技術(shù)成熟度TRL7，這就是說，產(chǎn)品正在現(xiàn)實相關(guān)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(shù)目標(biāo)，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(shù)，燃料電池客車技術(shù)成本，生產(chǎn)和運(yùn)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(shè)計進(jìn)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(jìn)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(yùn)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(yùn)輸局為FCEB制定了性能和成本目標(biāo)。這些目標(biāo)的制定有企業(yè)的參與，包括近期2016年的目標(biāo)，還有最終商業(yè)化的目標(biāo)。FCEB技術(shù)會朝著成本降低，實用性和可靠性增強(qiáng)的方向前進(jìn)。表ES-1列出了FCEB的性能及其目標(biāo)。

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(dá)到壽命結(jié)束的時間。

c.關(guān)于DOE/FTA目標(biāo)，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(shè)備支持，如空氣、燃料、冷卻劑和控制器。動力系統(tǒng)的電子設(shè)備，電機(jī)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(biāo)是在年產(chǎn)量為400下計算出的。產(chǎn)品總量假設(shè)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(biāo)，以及2016年18000小時的中間目標(biāo)。在2014年，制造商向目標(biāo)邁進(jìn)了一大步。在本報告的結(jié)尾，NREL證明燃料電池已經(jīng)達(dá)到20000小時壽命，超過了2016年的目標(biāo)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(diǎn)所得到的關(guān)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(fēng)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，F(xiàn)CEBs在經(jīng)濟(jì)性上還是占優(yōu)勢的。FTA為FCEB制定的燃料經(jīng)濟(jì)性目標(biāo)是等效8英里每加侖柴油，這是傳統(tǒng)客車經(jīng)濟(jì)性的兩倍。而本年度實際測得數(shù)據(jù)表明其燃料經(jīng)濟(jì)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(jì)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(hù)工人的培訓(xùn)。燃料電池大巴的商業(yè)化使得制造商必須對相關(guān)員工進(jìn)行FCEB的知識培訓(xùn)。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(hù)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(yīng)FCEB的維護(hù)工作。去年東灣交通局也成功完成了其員工針對FCEB的培訓(xùn)工作，并制定了服務(wù)與維護(hù)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(yùn)行過程中可能會遇到的問題

將FCEB與現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)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(chǔ)設(shè)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(hù)成本很低，因為處在保修期內(nèi)，這些FCEBs的維護(hù)責(zé)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(hù)成本將變得不確定。這需要交通部門來制定一系列相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)來明確，也需要制造商積極改進(jìn)技術(shù)以降低維護(hù)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(jìn)行。

美國燃料電池客車進(jìn)展

表2列出了目前美國進(jìn)行的FCEB示范項目。這些項目主要是驗證并改進(jìn)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(jìn)行各自的示范項目。

a.藍(lán)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(jìn)車輛(美國馬薩諸塞州)共同負(fù)責(zé)這些項目的進(jìn)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(lán)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，F(xiàn)TA已經(jīng)在全國的幾所大學(xué)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FlintMTA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(biāo)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(jìn)程——技術(shù)成熟度等級

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

示范工程和試運(yùn)行階段屬于TRLs6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(jìn)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(shè)計，以保證最終結(jié)果能達(dá)到要求。這是一個極其耗費(fèi)時間的過程，同時還伴隨著許多需要解決的技術(shù)困難。

那些進(jìn)行小批量制造的新的制造商團(tuán)隊還處于示范工程和試運(yùn)行的初級階段。根據(jù)之前的報道，新的制造商團(tuán)隊設(shè)計的原型客車仍處于TRL6，第二代處于TRL7。

在開發(fā)過程中，F(xiàn)CEBs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(shè)定的目標(biāo)只是用于驗證其性能是否可以滿足標(biāo)準(zhǔn)或者說還有哪些問題需要解決。從目前的生產(chǎn)和運(yùn)作成本上，F(xiàn)CEBs比傳統(tǒng)柴油客車要高很多。但必須承認(rèn)傳統(tǒng)柴油發(fā)動機(jī)技術(shù)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(shù)進(jìn)步，比如FCEBs性能達(dá)到目標(biāo)，那么產(chǎn)業(yè)化將幫助FCEBs快速的降低成本。當(dāng)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(jìn)行評估的4個FCEB制造商團(tuán)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)，USHybrid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(yùn)行的東灣交通局的ZEBA客車。如同之前報道，這種設(shè)計在TRL7中都屬于第二代設(shè)計，因為本次評估中有16輛客車都是基于早期的FCEB改進(jìn)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(shè)計完成的。同時這也證明了混合電力推進(jìn)系統(tǒng)是可以被應(yīng)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(yùn)行三年的FCEB。在TIGGER項目基金的幫助下，制造商團(tuán)隊又研制了2輛FCEBs交付陽光線路交通公司進(jìn)行運(yùn)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(yù)定的FCEBs也正在生產(chǎn)中。一旦所有預(yù)定的FCEBs完成，那總數(shù)量將會達(dá)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(chǔ)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(rèn)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(shè)計，采用了巴拉德燃料電池系統(tǒng)和鋰電池技術(shù)。該車總長度32英尺，在美國電動車組裝。該車設(shè)計來源FTA大學(xué)的一個研究項目，但是由于團(tuán)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(shè)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“BuyAmerica”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(yīng)商不在乎這些制造商的運(yùn)行情況，因為會有新的制造商進(jìn)入這個市場，例如新飛鳥公司。