2015年美国燃料电池客车发展报告(第一部分）

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FlintMTA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TRLs6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TRL6，第二代处于TRL7。

　　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，USHybrid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“BuyAmerica”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。