燃料電池在特殊工程車輛領域的應用進展

許 壯，何廣利

（北京低碳清潔能源研究所，北京 102211）

0 前言

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，它通過電化學反應將燃料的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時生成水和一部分熱能，基本不排放SO2、NOx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域的應用越來越受到關注；尤其是在電動汽車領域，世界各國已投入大量資金進行燃料電池汽車的開發(fā)和示范應用。

然而，受制于造價較高和加氫設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加氫設施的特殊工程車輛領域的應用受到重視，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反應過程（圖 1）。燃料氫氣（H2）進入陽極發(fā)生氧化反應生成電子（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)傳導至陰極，與鼓入空氣中的氧氣（O2）以及回路電子發(fā)生反應生成水（H2O）。

圖1 氫燃料電池原理和結(jié)構(gòu)示意圖

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、NOx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）。

圖2 氫燃料電池車與內(nèi)燃機車的對比

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用領域替代內(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 燃料電池在特殊工程車輛領域的應用

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，因此必須配套相應的通風設施促進作業(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526.5m3/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，通風設施建設投資也減少了約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]。

圖3 燃料電池礦山裝載機及其動力系統(tǒng)示意圖

2012年，Ve hicle Projects公司與南非 Anglo American Platinum公司合作，設計開發(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，具有很好的應用潛力[11]。

2012年，Anglo American Platinum公司與Vehicle Projects公司合作開發(fā)了5量燃料電池卡軌車，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.卡軌車加氫時，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]。

圖4 燃料電池卡軌車及其結(jié)構(gòu)示意圖[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?？紤]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施建設成本的情況下，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.

圖5 燃料電池掉頭機車及其結(jié)構(gòu)示意圖

2.4 卡車

我國柴油車排放的NOx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1 440 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.

圖6 Vision公司

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，在特殊工程車輛領域具有巨大的應用潛力。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，無需大量建設加氫設施即可滿足燃料供應，有利于降低基礎設施投資成本。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?，成為替代柴油機應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域已經(jīng)具備了規(guī)模化應用的條件。