燃料電池在特殊工程車輛領(lǐng)域的應(yīng)用進展

          摘要：燃料電池是一種清潔高效的能源利用技術(shù)，在特殊工程車輛領(lǐng)域推廣應(yīng)用，有利于實現(xiàn)大氣污染物 SO₂、NOx、PM 零排放，促進溫室氣體 CO₂ 減排。綜述了燃料電池為動力的礦山車、卡軌車、掉頭機車和貨運卡車的應(yīng)用進展，分析了燃料電池工程車輛替代內(nèi)燃機車的技術(shù)可行性以及由此帶來的環(huán)保效益，認為燃料電池工程車輛已經(jīng)具備了規(guī)?；瘧?yīng)用的條件。

          我國社會經(jīng)濟的快速發(fā)展消耗了大量化石能源，帶來霧霾和溫室氣體排放等環(huán)境問題。發(fā)展清潔低碳和安全高效的現(xiàn)代能源技術(shù)，支撐我國能源結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整，對于促進綠色可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。

          燃料電池是一種清潔高效的發(fā)電裝置，它通過電化學(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時生成水和一部分熱能，基本不排放 SO₂、NO_x 和 PM 等大氣污染物，且 CO₂ 排放量大幅下降；由于不受卡諾循環(huán)限制，燃料電池的發(fā)電效率高，能源利用效率大幅提升。近年來，隨著制造成本不斷降低、使用壽命逐漸提高，燃料電池在交通、固定電站和便攜電源等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注；尤其是在電動汽車領(lǐng)域，世界各國已投入大量資金進行燃料電池汽車的開發(fā)和示范應(yīng)用。

          然而，受制于造價較高和加氫設(shè)施不足等因素的影響，燃料電池汽車的推廣使用進程進展緩慢，尚無法與內(nèi)燃機汽車展開競爭。在這一市場背景下，燃料電池在成本敏感度相對較低且易于建設(shè)加氫設(shè)施的特殊工程車輛領(lǐng)域的應(yīng)用受到重視，并有望率先進入實用化。迄今為止，燃料電池在礦山車、掉頭機車、貨運卡車和有軌電車等種類的工程車輛上已實現(xiàn)了示范應(yīng)用，對大氣污染物的減排效果顯著，并表現(xiàn)出了一定的技術(shù)可靠性和經(jīng)濟性，具有較好的市場化前景。

1 燃料電池的技術(shù)特點

          燃料電池的發(fā)電過程是與熱機過程截然不同的電化學(xué)反應(yīng)過程（圖 1）。燃料氫氣（H₂）進入陽極發(fā)生氧化反應(yīng)生成電子（e^-）和氫離子（H⁺），電子經(jīng)過外電路形成電流，與此同時，氫離子穿過質(zhì)子交換膜電解質(zhì)傳導(dǎo)至陰極，與鼓入空氣中的氧氣（O₂）以及回路電子發(fā)生反應(yīng)生成水（H₂O）。

          燃料電池與內(nèi)燃機相比，能量轉(zhuǎn)化效率顯著提高，尤其在中低負荷運行條件下，燃料電池的能量效率接近 50%[1]（圖 2a），這有利于提高燃料利用率，節(jié)省燃料成本。與此同時，燃料電池實現(xiàn)了 SO₂、NO_x 和PM 的零排放，當采用天然氣重整氫氣做燃料時，CO₂排放量削減約 40%，當采用可再生能源電解水制得氫氣為燃料時，可實現(xiàn) CO₂ 零排放[2]（圖 2b）。

          燃料電池不僅具有清潔低碳和高效節(jié)能的技術(shù)優(yōu)點，還具有功率密度高和能量密度高的實用性特征。由于燃料電池系統(tǒng)采用薄膜組件和模塊化設(shè)計，功率密度可以與汽油或柴油發(fā)動機接近，達到 650 W/L 或 650 W/kg[4]，因而有潛力在多種應(yīng)用領(lǐng)域替代內(nèi)燃機。此外，燃料電池還具有啟動速度快、低噪聲、無振動等優(yōu)點，使用便捷性和舒適性也更好。

2 燃料電池在特殊車輛領(lǐng)域的應(yīng)用

2.1 礦山車

          礦山車是金屬、非金屬、煤礦等普遍使用的一種用于短距離物料運輸和裝卸的工程車，一般以柴油機為動力。礦山車在地下礦井或地面較封閉環(huán)境條件下作業(yè)時，柴油機連續(xù)產(chǎn)生的余熱和大氣污染物極易導(dǎo)致作業(yè)位置溫度升高、空氣質(zhì)量下降，威脅到生產(chǎn)安全和人員健康，因此必須配套相應(yīng)的通風設(shè)施促進作業(yè)位置熱量和空氣置換。對于大多數(shù)地下礦井，通風系統(tǒng)耗電量大，往往占礦井總用電量的大部分[5]。

         燃料電池礦山車能量轉(zhuǎn)換效率高，同等輸出功率條件下，理論產(chǎn)熱量僅為柴油機礦山車的 40% ~ 50%，并且不排放大氣污染物。因此，采用燃料電池礦山車替代柴油機礦山車進行井下作業(yè)，可以大幅減少所需的礦井通風量，有利于節(jié)省通風系統(tǒng)電耗，降低礦井運行成本。2003年，美國 Vehicle Projects 公司聯(lián)合內(nèi)華達州立大學(xué)對美國[5]和加拿大[6]近100個金屬、非金屬礦進行考察，并通過模擬計算分析了幾個典型的金礦、銀礦、鉬礦、鹽礦和石灰石礦，發(fā)現(xiàn)采用燃料電池礦山車替代柴油機車作業(yè)時，地下礦井所需的通風量普遍可削減10% ~ 30%，相應(yīng)的電 耗下降 10%以上。以美國內(nèi)華達州 Turquoise Ridge 金礦為例，其井下作業(yè)的柴油機礦山車總功率約6800 kW，若替換為燃料電池礦山車，所需井下通風量由526.5 m³/s 降低至 230 m3/s，通風排氣管徑由 6.1 m 縮小至4.2 m，通風系統(tǒng)年用電成本下降約 150 萬美元，通風設(shè)施建設(shè)投資也減少了約 350 萬美元[7]。

          2005年，Vehicle Projects 公司開發(fā)了一臺燃料電池裝載機，在美國內(nèi)華達州 Turquoise Ridge 金礦和加拿大La Ronde 金礦的地下礦井進行了總計1000 小時的示范運行[8]。該裝載機采用 Caterpillar R1300 型礦山裝載機的架構(gòu)，通過87 kW 燃料電池和 65 kW 鎳氫儲能電池組成混合動力系統(tǒng)（圖 3），瞬時最大輸出功率超過140 kW，綜合動力性能與柴油機礦山車接近。由于井下作業(yè)時需嚴格限制氫氣泄漏以保證生產(chǎn)安全，該燃料電池裝載機選用了可拆卸的氫化物儲氫系統(tǒng)，安裝在動力系統(tǒng)兩側(cè)，其儲氫壓力低，儲氫總量 14 kg，可滿足至少 6 h 不間斷作業(yè)（柴油裝載機約 8 h），在裝載機工作間歇時，儲氫系統(tǒng)可送至礦井外再次加氫[9]。

          2012 年 ，Ve hicle Projects 公司與南非 Anglo American Platinum 公司合作，設(shè)計開發(fā)了一款超小型遠程控制燃料電池推土機，用于替代常規(guī)的蓄電池推土機，在 Bathopele 鉑金礦進行示范應(yīng)用。安裝9 kW 電堆和 2 MPa 氫化物儲氫罐，該燃料電池推土機可連續(xù)運行 8 h，續(xù)航能力超過蓄電池推土機（約 6 h）。使用過程中，燃料電池推土機單次加氫時間約40 min，比蓄電池推土機（充電時間大于8 h）更加快捷[10]。

2.2 卡軌車

          卡軌車是煤礦重要的輔助運輸設(shè)備，依據(jù)動力種類，主要包括鋼絲繩牽引卡軌車、防爆柴油機卡軌車和蓄電池卡軌車三大類。目前廣泛使用的鋼絲繩牽引卡軌車需要布置復(fù)雜的繩索系統(tǒng)，操作靈活性較差，對鋼絲繩的安全性要求較高。相比之下，防爆柴油機卡軌車能夠更加靈活的操作和運行，但產(chǎn)生大量的大氣污染物和噪聲，影響作業(yè)環(huán)境和人員健康。對于蓄電池卡軌車，其安全性和環(huán)保性較好，但受限于能量密度低，一般只能短距離、短時間使用，且充電時間長，無法大規(guī)模使用。燃料電池卡軌車無需牽引鋼絲繩，不排放任何污染尾氣，且能量效率高、噪聲小、加氫時間短，因而更加靈活、經(jīng)濟、環(huán)保，具有很好的應(yīng)用潛力[11]。

          2012 年，Anglo American Platinum 公司與 Veh- cle Projects 公司合作開發(fā)了 5 輛燃料電池卡軌車，在南非 Dishaba 鉑金礦的地面和井下示范運行。該卡軌車動力系統(tǒng)采用 Ballard 公司生產(chǎn)的 FCveloCity - 9SSL V4 型燃料電池電堆，額定輸出功率17 kW，配套鋰離子儲能電池組成混合動力，瞬時輸出功率最高可達 45 kW。該卡軌車儲氫系統(tǒng)采用氫化物介質(zhì)， 儲氫量 3.5 kg，理論儲能 50  kWh?？ㄜ壾嚰託鋾r，采用水冷或空冷將儲氫介質(zhì)維持在室溫，管網(wǎng)提供的2 MPa 氫氣進入儲氫介質(zhì)形成氫化物，耗時約 20 ~30  min；儲氫系統(tǒng)加氫完成后，利用燃料電池的循環(huán)熱水將儲氫介質(zhì)加熱至 60 ~ 70℃，此時氫化物分解放出壓力為1~1.5 MPa 的氫氣，供燃料電池使用?？ㄜ壾囌麄€加氫-使用過程中，氫氣的壓力不超過2 MPa，安全性好[10]。

          由于燃料電池功率密度高，卡軌車的燃料電池-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)總體積僅為 0.5 m3，外加儲氫系統(tǒng)體積 0.3 m3，可以緊湊集成在 1 m3 空間內(nèi)，無需改變卡軌車原有構(gòu)架（圖 4）。示范運行表明，與蓄電池卡軌車相比，燃料電池卡軌車具有相似的動力性能，完全可以滿足使用需要，并且續(xù)航能力顯著增加；相比于同等功率的柴油機卡軌車（能量效率約30%），燃料電池卡軌車能量利用效率顯著提高，可達50%，有利于節(jié)省燃料[10]。

2.3 掉頭機車

          掉頭機車一般以柴油機為動力，使用過程中排放較多的 NOx、SO2、PM 大氣污染物。燃料電池掉頭機車不排放任何大氣污染物，并且無噪聲，有利于實現(xiàn)清潔環(huán)保[12]。

          2010 年，BNSF 鐵路公司在美國洛杉磯示范運行了一輛自重130 t 的燃料電池掉頭機車，用于減少市郊內(nèi)燃機車帶來的尾氣污染和噪聲污染。考慮到掉頭機車啟停瞬時功率高（600~ 1000  kW），但穩(wěn)定運行功率低（40 ~ 100 kW）的特點，該掉頭機車采用了燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)，由 2 個 300 kW 的燃料電池電堆與鉛酸電池搭配，瞬時輸出功率可達 1 MW。機車儲氫系統(tǒng)由 14 個 35 MPa 碳纖維氫罐組成，加氫量 70  kg，有效使用量 63.5 kg。實際運行條件下，燃料電池掉頭機車牽引重量 200 t ~ 1 800 t， 所需平均輸出功率約 96 kW，每小時耗氫量約 5.73 kg，一次加氫后可供使用約 11 h，能量效率達到 41% ~ 49%。由于 1 kg 氫的熱值相當于 3.5 L 柴油，且二者成本相近，因此在不考慮氫氣壓縮和加氫設(shè)施建設(shè)成本的情況下，燃料電池掉頭機車與柴油機車的燃料成本相當[13]。

          BNSF 鐵路公司對燃料電池掉頭機車的示范進運行表明，燃料電池掉頭機車的綜合性能和使用成本與內(nèi)燃機車接近，完全可以替代內(nèi)燃機車用于市郊的鐵路樞紐，從而減少大氣污染和噪聲污染對周圍居民帶來的危害。見圖 5。

2.4 卡車

          我國柴油車排放的 NO_x 接近汽車排放總量的70%，PM 超過 90%，以柴油機為動力的貨運卡車，已成為城市霧霾的重要來源之一[14]。目前，以鋰離子電池為動力的純電動汽車已經(jīng)實現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，但受制于儲能電池能量密度低的缺點，純電動技術(shù)尚無法滿足貨運卡車的長距離運輸要求（純電動貨運卡車續(xù)航里程一般小于 160 km）[15]。相比之下，燃料電池能量密度高，應(yīng)用于貨運卡車具有獨特優(yōu)勢。

          2011 年，美國 Vision 公司推出了世界首輛燃料電池 8 級卡車（自重大于 14 969kg）[16]用于洛杉磯市區(qū)和長灘港之間的物流運輸。該燃料電池卡車采用65 kW 燃料電池-130 kWh 鋰離子電池混合動力系統(tǒng)，牽引重量 15 t，一次加氫量 20 kg（35 MPa），續(xù)航里程可達 320 km[17]?？ㄜ囆旭傔^程中，燃料電池向鋰離子電池持續(xù)充電，鋰離子電池帶動電機輸出動力； 卡車下坡或剎車時，電機向鋰離子電池充電，回收部分機械能，從而提高能量效率。相比于柴油卡車，該燃料電池卡車的燃料成本節(jié)省約 35%[18]，且大氣污染物排放量顯著降低。

          2016 年，Nikola 公司公布了商業(yè)化的燃料電池增程式電動 8 級卡車，包括 I 型長途運輸和 II 型短途運輸兩種型號，均采用 320 kWh 鋰離子電池提供動力，搭載 200 kW 燃料電池向鋰離子電池持續(xù)充電，續(xù)航里程可達 1 200~1 900 km。該卡車由六輪驅(qū)動，總輸出功率可達 1440 kW，最大扭矩 2 670 N·m，牽引重量可達 36 t。相比于柴油卡車的機械傳動系統(tǒng)，Nikola 卡車的電動系統(tǒng)重量更輕、能量效率更高，因而動力性能顯著提高；與此同時，輕量化的動力系統(tǒng)有利于 Nikola 卡車搭配足夠的儲氫量，由于氫燃料的能量密度顯著高于柴油，Nikola 卡車的續(xù)航里程比柴油卡車增加近 1 倍。見圖 6。

3 結(jié)論與展望

          燃料電池作為一種清潔高效的能源利用方式，在特殊工程車輛領(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。以燃料電池為動力的礦山車、卡軌車、掉頭機車作業(yè)位置相對固定，無需大量建設(shè)加氫設(shè)施即可滿足燃料供應(yīng)，有利于降低基礎(chǔ)設(shè)施投資成本。燃料電池能量利用效率高、零排放，使用過程中，燃料成本一般低于柴油機車，并且環(huán)保效益顯著提高。

          近年來，隨著燃料電池零部件和集成技術(shù)的更新，以及相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的發(fā)展，燃料電池制造成本逐漸下降，使用壽命不斷增加，市場競爭力顯著提高。與此同時，燃料電池混合動力技術(shù)和增程技術(shù)的應(yīng)用，保障了燃料電池系統(tǒng)的可靠性，充分發(fā)揮了燃料電池功率密度和能量密度高的特點，拓寬了燃料電池在長距離、大載量貨物運輸?shù)忍厥鈭龊系膽?yīng)用，成為替代柴油機應(yīng)用于工程車輛的最優(yōu)方案之一。因此，燃料電池在特殊工程車輛領(lǐng)域已經(jīng)具備了規(guī)?；瘧?yīng)用的條件。

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