2015年美国燃料电池客车发展报告

本文总结了2015年美国燃料电池客车(FCEB)的进展,并且讨论分析了燃料电池作为客车运输动力所获得的成就及所面临的挑战。同时美国国家可再生能源实验室(NREL)也对燃料电池客车(FCEB)项目给出评估。

从2014年8月到2015年7月,美国燃料电池客车总计运行公里数超过1045000英里,运行时间超过83000小时。当然燃料电池客车(FCEB)目前还不算正式的商业产品,NREL认为这些燃料电池客车(FCEB)还处于技术成熟度TRL7,这就是说,产品正在现实相关环境中接受全面验证与检测。对于这些项目,制造商的目的是验证燃料电池客车是否能够满足技术目标,并且解决验证过程中出现的问题。目前,相较于传统柴油车和压缩天然气技术,燃料电池客车技术成本,生产和运营都还非常高。

NREL也收集了处于TRL6的两款FCEBs的测试数据。这项示范工程开始于2014年,作为早期开发产品,这些设计进行一些较早的验证分析。在这验证分析过程中,制造商在交通部门的帮助下完成了实地测试和在真实环境中测试其实际性能。

NREL还收集了传统客车的数据来与这些FCEB的测试数据进行对比。东湾交通局的客车是柴油车,阳光线路交通公司的客车燃料是压缩天然气。NREL收集了这两种客车运行在与FCEBs近似工况下的数据。

美国能源部(DOE)和联邦交通运输局为FCEB制定了性能和成本目标。这些目标的制定有企业的参与,包括近期2016年的目标,还有最终商业化的目标。FCEB技术会朝着成本降低,实用性和可靠性增强的方向前进。表ES-1 列出了FCEB的性能及其目标。

a.从2014年8月到2015年7月收集到的数据。

b.累计到2015年8月为止,这些客车实际没有达到寿命结束的时间。

c.关于DOE/FTA目标,动力源寿命的定义是燃料电池系统和蓄电池系统。燃料电池系统包括辅助设备支持,如空气、燃料、冷却剂和控制器。动力系统的电子设备,电机和氢罐也包括在内。

d.动力系统寿命小时数只针对燃料电池系统,蓄电池寿命小时数不可用。

e.最高寿命是从老一代客车,累计行驶超过6000小时,换算而来。

f.多个连续的燃料加注不会使得燃料加注时间变长。

g.成本目标是在年产量为400下计算出的。产品总量假设只是用于分析目的不代表将来实际生产销售水平。

h.排除中期寿命检修。

i.基于节约燃料和95%油箱容积。

DOE/FTA制定了未来4到6年(或者说25000小时)燃料电池动力系统的耐久性终极目标,以及2016年18000小时的中间目标。在2014年,制造商向目标迈进了一大步。在本报告的结尾,NREL证明燃料电池已经达到20000小时寿命,超过了2016年的目标值。在观测的16个燃料电池动力系统中,75%(12个)已经超过10000小时的使用寿命,平均累计为10102小时。

2014年8月到2015年7月,各个站点所得到的关于客车的可用性波动较大,最低值为40%,最高值92%,平均值为74%,较上一年(70%)略有上升。本年度的问题主要集中在挡风玻璃和冷却泵,而上一年度的问题集中在混合系统、蓄电池和燃料电池系统。

相较于传统客车,基于相同工况,FCEBs在经济性上还是占优势的。FTA为FCEB制定的燃料经济性目标是等效8英里每加仑柴油,这是传统客车经济性的两倍。而本年度实际测得数据表明其燃料经济性是传统柴油客车(东湾交通局)的1.6到1.73倍,是压缩天然气客车(阳光轨道公司)的1.95 倍。而上一年度FCEB的平均燃料经济性为5.8英里每加仑。

FCEB性能还将继续提高,但是在这过程中也遇到了一些挑战,如: 

零部件的集成与优化。系统集成和优化问题已经成为FCEB发展的一个阻碍。交通部门已经和制造商紧密沟通来确定故障问题,新的诊断工具也开始发挥作用,但是仍有部分故障很难诊断,从而延长了FCEB的停工期。

维护工人的培训。燃料电池大巴的商业化使得制造商必须对相关员工进行FCEB的知识培训。阳光线路交通公司的员工已经参与大部分燃料电池维护工作好几年了,最早可以追溯到2000年,所以员工们能很快适应FCEB的维护工作。去年东湾交通局也成功完成了其员工针对FCEB的培训工作,并制定了服务与维护手册,研发出了无线定位工具,还有其他一些资源来解决FCEBs实际运行过程中可能会遇到的问题

将FCEB与现有的标准化客车生产体系整合。要真正实现FCEBs的商业化,还需要其能兼容现有的基础设施。英国宇航系统公司研发部门,巴拉德和埃尔多拉多  National公司联合接下了美国FCEBs的订单,这些客车将在埃尔多拉多  National工厂用生产传统客车的流水线上完成装配。新飞鸟公司公司宣布计划研发下一代FCEB,该公司目前已经完成了40英尺长的客车组装,并且完成了交通部门的测试。它们下一代FCEB是基于蓄电池的纯电动客车,同时该车型也被用于公司旗下柴油、压缩天然气和氢能客车,所以这几款车都共享了很多零件和模块。该种方案也有利于在发生问题时,更快的定位故障并分析出解决办法。

FCEBs成本。实际上FCEB的维护成本很低,因为处在保修期内,这些FCEBs的维护责任大部分落在生产商身上。但是超过保修期后,这些客车的维护成本将变得不确定。这需要交通部门来制定一系列相关标准来明确,也需要制造商积极改进技术以降低维护成本。

NREL计划继续监测和评估东湾交通局和阳光线路交通公司的示范项目。另外,2016年也有另外几项示范项目开始进行。

美国燃料电池客车进展

 表2列出了目前美国进行的FCEB示范项目。这些项目主要是验证并改进FCEB的可用性和稳定性。截至2015年8月,24辆FCEBs遍布在美国进行各自的示范项目。

a.蓝色底纹表明项目有NFCBP参与。

b.截至2015年8月,总客车数量实际仍在使用的。

国家燃料电池客车项目(NFCBP)NFCBP是由FTA在2006年建立的,已经持续多年的项目,其建立的燃料电池客车示范项目遍布全球。接下来的4年还将投入基金,其总基金已接近9亿美元。其示范项目包括燃料电池客车示范项目,零部件研发计划以及其他拓展计划。三个非盈利组织——CALSRART(美国加州),交通与环境研究中心(英国乔治亚州)和东北先进车辆(美国马萨诸塞州)共同负责这些项目的进行。NREL作为第三方评估者来评估这些示范项目的可用性。

NFCEBP建立的示范项目为表2中蓝色底纹显示。表3列出了剩余的在接下来几年即将开展的示范项目。

在NFCEBP之前,FTA已经在全国的几所大学和交通部开始了燃料电池研究。“TIGGER”项目在美国交通部生产了许多零排放客车。其中大多数是蓄电池电动客车,但是阳光线路交通公司和Flint MTA也有FCEBs。表2中所列的示范项目也属于“TIGGER”项目,这些项目都吸取了阳光线路交通公司FCEBs经验。

FTA的最新项目是低或者零排放汽车发展计划——LoNo计划。该计划为购买或租赁零排放和低排放汽车(电动车和燃料电池汽车都可以)提供基金。初步目标是发展美国最清洁的公共交通客车。十个项目已经在美国各地展开,总计5400万美元的基金将投入到这些项目中。这些项目提供总计60辆客车来完成整个计划:10辆FCEBs,33辆纯电动电动车和17辆混动电动汽车。

FCEB 发展进程——技术成熟度等级

在2012年的报告,NREL介绍了一份关于燃料电池客车技术成熟度(TRL)的参考文件。这份文件是基于2011年出版的技术成熟度等级技术成熟度评估指南4。图1 展示了这个过程。

示范工程和试运行阶段属于TRLs 6 到8,这是一个循环的过程,需要不断优化直到完成验证。制造商和交通部的主要工作就是进行客车的测试。同时他们需要根据测试结果不断更新设计,以保证最终结果能达到要求。这是一个极其耗费时间的过程,同时还伴随着许多需要解决的技术困难。

那些进行小批量制造的新的制造商团队还处于示范工程和试运行的初级阶段。根据之前的报道,新的制造商团队设计的原型客车仍处于TRL 6,第二代处于TRL 7。

在开发过程中,FCEBs与真正的商业产品还存在一定区别。制造商对这些处于开发阶段的客车设定的目标只是用于验证其性能是否可以满足标准或者说还有哪些问题需要解决。从目前的生产和运作成本上,FCEBs比传统柴油客车要高很多。但必须承认传统柴油发动机技术已经非常成熟处在TRL9阶段,而FCEB还仍然处在开发阶段。一旦技术进步,比如FCEBs性能达到目标,那么产业化将帮助FCEBs快速的降低成本。当初柴油客车和压缩天然气(CNG)客车也是这样一步一步走过来的。

表4列出了NREL正在对其进行评估的4个FCEB制造商团队,以及他们制造的车的部分信息。

万伍尔——该公司旗下的客车是基于早期的万伍尔 FCEB,并且包括了西门子ELFA混动系统,US Hybrid 燃料电池系统,以及EnerDel的能量储存系统,例如在美国康涅狄格运行的东湾交通局的ZEBA客车。如同之前报道,这种设计在TRL7中都属于第二代设计,因为本次评估中有16辆客车都是基于早期的FCEB改进而来的。

埃尔多拉多——NFCBP研发的FCEB是和巴拉德和埃尔多拉多共同设计完成的。同时这也证明了混合电力推进系统是可以被应用在客车上,具有商业化能力。该客车的原型车是在阳光线路交通公司运行三年的FCEB。在TIGGER项目基金的帮助下,制造商团队又研制了2辆FCEBs交付阳光线路交通公司进行运营来观测并评估其性能。截至目前,共5辆FCEBs已经完成,同时许多预定的FCEBs也正在生产中。一旦所有预定的FCEBs完成,那总数量将会达到20辆。该车作为第二代产品处于TRL7水平。

普罗泰拉——该公司的FCEB是从NFCBP早期的客车升级而来。普罗泰拉公司利用制造第一代客车的经验升级了早期客车。普罗泰拉公司的早期客车产品是一款集快充功能的可插电式纯电动客车。在纯电动客车的基础上,添加燃料电池系统部件,作为蓄电池的供电系统,这样就可以极大的延长了该车的续驶里程。NREL认为改款车处于原型车TRL6水平。

美国电动车——公司旗下的客车由嵌入式动力设计,采用了巴拉德燃料电池系统和锂电池技术。该车总长度32英尺,在美国电动车组装。该车设计来源FTA大学的一个研究项目,但是由于团队原因导致实际完成时间被推迟了。另外,这个项目也获得了NFCBP的基金资助,在英国伯明翰和美国阿拉巴马州完成示范计划。该车处于早期原型车设计阶段,处于TRL6水平。

埃尔多拉多和普罗泰拉都为美国市场生产客车,并且产品能够满足“Buy America”要求。另外两家制造商对于旗下产品能否占有美国市场还不清楚。美国电动车目前已经破产,万伍尔 主要市场在比利时。不过,混动系统供应商不在乎这些制造商的运行情况,因为会有新的制造商进入这个市场,例如新飞鸟公司。

2015年的评价结果

从示范项目获取的关于FCEBs数据,我们根据TRL将数据信息分成两部分。

处于TRL 7的FCEBs表5列出两款FCEB及其部分参数,其实车见图2,点击2015年美国燃料电池客车发展报告(第一部分)查看。

客车

普通客车的数据将会用来和FCEB的数据进行对比。东湾交通局进行的初级对比是用和FCEB相同车型的柴油车: 万伍尔柴油客车的大部分参数与FCEBs类似,是用来做对比测试的最佳选择。但是万伍尔柴油客车运行的总里程超过FCEBs四倍,而且已经超过保修期了。它们已经到了“中年”阶段,维护费用开始显著增长。Gillig客车很新而且总行驶里程也与FCEBs很接近。所以Gillig客车是一个很好的对比对象。阳光线路交通公司的CNG客车也可以用来作为对比对象。

本报告中的数据时间——本报告数据采集时间为2014年8月到2015年7月

总里程和总时间

表 6 列出了FCEBs的总里程、时间、平均速度和每辆车每月运行里程。阳光线路交通公司的AFCBs有更高的平均速度:13.7英里/小时,而东湾交通局的ZEBA平均速度较低为8.9英里/小时。

客车使用

图 3 展示了平均每月FCEB客车和普通客车的使用对比情况,两个交通机构都在继续他们的FCEB车辆的运行以达到运行目标值:3000英里,但是FCEBs运行时间还是少于普通客车。

可用性

可用性是客车实际可用的天数占计划总天数的百分比。东湾交通局计划每天都要正常运行,阳光线路交通公司计划在工作日正常运行,但实际中阳光线路交通公司在周末也会运行FCEBs。表 7 列出了他们得到的可用性数据。

图 4 跟踪记录了FCEB每个月的可用性数据。

东湾运输局ZEBA FCEBs(深蓝线)的可用性在整个过程中都超过了70%。在早期,东湾运输局的可用性是逐渐增长的。但是到了后期,其可用性开始下降,这是因为2辆FCEBs的燃料电池出现了问题。该问题很难去诊断和解决,所以这2辆直到评估结束也没有恢复运营。

阳光线路交通公司的FCEB可用性在整个过程始终在波动。FCEB的问题包括客车系统的压缩机和挡风玻璃。动力系统导致的停机原因包括电池在原型车上的更新、系统在另外两辆车的升级等。燃料电池系统的问题主要是辅助系统组件的故障。

图 5 中,每个独立块代表着导致可用性问题的原因。实际上,东湾运输局和阳光线路交通公司并没有提供每天产生问题的具体原因。所以图中的分类也只是基于当时分析问题追溯到的原因。有时一个问题到最终解决的时候才发现其原因可能是系统问题,而并不是当时追溯的原因。考虑到这个问题,NREL会在查明真正问题原因后,改变一些当时不确定原因的问题分类。东湾交通局的主要问题是燃料电池系统和车本身。而阳光线路交通公司主要问题是混动系统和车本身。

燃料经济性

表 8 展示了每种FCEB和普通客车在相同条件下等效每加仑燃料行驶的英里数。东湾交通局ZEBA客车比万伍尔柴油客车高1.7倍,比Gilling柴油客车高1.6倍。

图 6 展示了去年每个月的燃料经济性,FCEB与传统客车在相似的运行条件下进行比较。

可靠性——Roadcalls之间的英里数

在路途中发生故障,导致客车班次时间发生延迟可以被称为roadcalls。图 7 展示了发生两次roadcalls之间客车正常的英里数(MBRC)。深蓝色点线表示DOE/FTA为普通客车设定的目标,绿色点线是为FCEBs设定的目标,亮蓝线是为客车动力系统设定的目标。

氢燃料

NREL也记录了FCEBs在整个运行过程中氢燃料的消耗量。图 8 展示了两家公司过去一年氢的消耗量。截至目前,两家公司的加氢量已经超过221000千克,而上述两家公司FCEBs总加氢次数为3547次,总加氢量72854千克。这些FCEBs平均每次加氢20.5千克。

FCEB现状:成就与挑战

随着FCEB的相关技术在逐渐进步,可用性在增强,可靠性也在提高并接近目标。

接近技术目标的过程2012年,DOE/FTA为燃料电池技术在客车上的应用设定了目标。中期目标完成时间是2016年,最终目标是能够与现在传统客车有相当的商业竞争力。表 11 列出了FCEBs具体的各项目标。

a. 子系统(动力系统和储氢)的成本不包括在内。

b.动力装置分为燃料电池系统和蓄电池系统。

c. 成本是基于每年400辆产量来考虑的,这只是一个假设并不是实际产量。

d.不包含动力装置更换。

客车和动力系统寿命FTA为FCEBs设定的寿命是12年或500000英里,燃料电池动力系统必须达到上面的一半,这些设定参照柴油客车中期寿命。DOE/FTA为燃料电池动力系统设定的最终目标是4-6年,或者持续25000小时,但是中期目标是2016年能达到18000小时。去年报告中,NREL的记录是17000小时无换修。今年的报告,关于燃料电池动力系统无换修记录是20000小时。图10 展示了阳光轨道交通公司和东湾交通局FCEBs的燃料电池系统运行的总小时数。在16辆FCEBs中75%(12辆)超过了10102小时。

客车可靠性

平均来看,FCEBs的可靠性为74%,较去年有所上升。在运行过程中,大部分问题集中在挡风玻璃和冷却泵。而2014年,两家公司出现问题主要集中在氢燃料电池系统、蓄电池和混动系统上。有时候因为难以确定问题而导致维修时间过长,例如某时候当我们花费大量时间检测某个系统,而最终发现问题是另一个系统导致的。所以维护工人需要继续学习燃料电池系统的维修,以避免出现上述问题。

燃料加注

交通公司每天晚上都会对客车进行燃料加注和维修以保证第二天的运行,所以这就意味着所有客车每天都有6到8小时的维护时间。当对客车进行燃料加注的时候,维护工人可以对客车进行检修,例如清洁燃烧室。平均清洁一辆客车需要十分钟,所以燃料加注时间必须少于十分钟。两家公司对每辆客车每天至少加注燃料一次,同时实际加注时间由于各个加注站不同而有所不同。阳光轨道交通公司的加注站平均每次需要22分钟,大约每分钟加注1kg氢气。东方交通局每次加注时间不超过十分钟,能达到每分钟加注5kg氢气。

客车成本

现在来看,FCEB的成本还是非常的高昂。DOE/FTA设定的目标是,2016年每辆客车成本下降至100万美元,而最终目标是每辆客车60万美元。随着FCEBs订单数量增长,平均生产成本会下降。最近两家公司对FCEB的订单显示,每辆客车成本是180万美元,更早时候是240万美元。随着未来订单持续增长,客车的成本还会进一步降低。预计项目未来还需要40辆客车,这有可能使得成本下降至100万美元。

运行时间

DOE/FTA为客车设定的目标是每周7天,每天20小时。两家公司报告称这些客车都是尽可能的保证每天运行21个小时。东湾交通局客车行程安排是每天3至21个小时。实际平均运行时间每天不超过12个小时,而且每周运行天数是5至7天。

对2016年展望

这份报告总结了4种不同设计的燃料电池客车。在接下来一年,几种新的燃料电池客车示范也将开始,同时NREL也将继续和DOE、FTA一起监测与评估。关于这几种新的燃料电池客车的设计和示范地点在接下来的年度报告中将会公布,因为这关系到燃料电池客车的发展。NREL计划完成更详细的报告来汇报各个示范项目。

另外,对于目前的FCEBs,接下来还将继续进行以下示范项目:

•波士顿的马萨诸塞湾交通局关于下一代AFCB的示范项目

•美国加州大学欧文分校有关示范项目

如果能获得足够的数据来完成其他报告,NREL将总结这些报告。

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