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《重型车辆是氢燃料电池使用的理想入口》

  • 来源专题：纳米科技
  • 编译者： 郭文姣
  • 发布时间：2021-04-25

  • 橡树岭国家实验室纳相材料科学中心于2021年4月23日发布关于重型汽车(HDV)的无排放氢燃料电池技术商业化的内容，文章指出作为一种可行的替代汽油内燃机，氢燃料电池可以提供可持续的、清洁的能源，并具有类似的用户体验。

    “氢技术在HDV市场的应用可能被证明是推动广泛应用的突破，”ORNL的David Cullen说，他是纳米材料科学中心的一名科学家，使用先进的显微镜和光谱学研究燃料电池催化剂和电极结构。“氢燃料电池是卡车行业的理想选择，因为它的加油时间和行驶里程与汽油卡车不相上下，而且行驶路线可以预测，这降低了发展燃料基础设施的障碍。”

    氢燃料电池比锂电池或柴油燃料含有更多的单位质量能量。一辆卡车可以在不显著增加重量的情况下拥有更高的可用能量——这是长途卡车的一个重要考虑因素，因为它们有重量惩罚政策。

    2020年10月，美国能源部氢和燃料电池技术办公室(简称HFTO)成立了百万英里燃料电池卡车联盟(简称M2FCT)，通过研发支持燃料电池在HDV市场的应用机会，并与能源部在H2@Scale上的愿景一致，即在经济的多个部门中使用清洁和负担得起的氢。M2FCT由五个国家实验室组成，致力于满足卡车运输行业对效率、耐久性和成本的要求。HFTO在五年内为该团队提供了5000万美元的资金，该团队设定了一个2030年的目标，即为长途卡车演示2.5万小时(或100万英里)的系统。

    “向氢燃料电池重型汽车过渡将对减少温室气体排放产生重大影响，”劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Ahmet Kusoglu说。Kusoglu指出，重型车辆只占美国车辆总数的一小部分，每年行驶里程仅占总行驶里程的10%。但根据美国环境保护署(Environmental Protection Agency)的数据，它们占交通运输温室气体排放的23%，占美国每年燃料消耗的近四分之一

    M2FCT团队在《自然能源》杂志最近的一篇评论文章中概述了该技术的现状和未来，并解决了重型汽车行业(包括卡车、公共汽车、火车和海洋应用)大规模采用该技术所面临的挑战。M2FCT的协调官员Cullen是论文的第一作者;合著者包括来自劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、国家可再生能源实验室和阿贡国家实验室的Karren More和M2FCT成员科学家。

    Cullen说:“这个联盟有四个支柱:材料开发、组件集成、组件和燃料电池耐久性以及系统分析。”但它们相互交织，相互依存。ORNL正在通过我们的特性描述工作在所有这些领域工作。”

    莫尔是美国国家实验室纳米材料科学中心的负责人，该中心是美国能源部科学办公室的用户设施，他说，ORNL将运用其在燃料电池材料和组件微观结构和微观化学分析方面的独特能力和专业知识，从宏观到原子水平更好地理解燃料电池性能和耐久性问题。

    她说:“我们将继续开发新的表征方法和数据分析方法，以深入了解燃料电池材料在重型应用中的行为。”“ORNL提供了创新的方法来询问材料的结构、化学和性能，这样性能和耐久性问题可以被理解和解决，以开发具有优化性能的新材料。”

    ORNL还将提供卷对卷制造专业知识，这将与NREL密切协调，以确定如何扩大膜电极组装的制造过程。Cullen说，该团队将专注于开发新的电极结构，这种电极结构可以通过滚对滚的工艺来实现，而不是传统的喷涂或油墨沉积工艺。

    M2FCT代表了燃料电池性能和耐久性联盟(FC-PAD)的结论之后的方向转变，该联盟专注于轻型汽车的燃料电池。

    2019年底，美国能源部的高氢燃料技术办公室(HFTO)与汽车技术办公室(Vehicle Technologies Office)合作，发布了氢燃料长途牵引车拖车(也称为8级长途卡车)的技术目标。这些目标是M2FCT研究人员目前通过指导早期研发工作而开展的工作。M2FCT最近发布的这项研究以8级长途卡车为例，展示了不同的设计特征对效率和耐久性的影响，以及如何利用轻型汽车的改进来满足重型汽车的需求。

    氢燃料电池通过氢和氧之间的电化学反应来发电，然后结合产生电、热和水。一个燃料电池可以产生大约300瓦的电力;为了产生足够的能量来驱动汽车的电动机，燃料电池需要被组合成一个燃料电池组。

    为了满足美国能源部对氢燃料长途拖拉机拖车的目标，M2FCT的研究人员已经确定了轻型车辆和重型车辆设计氢燃料电池的关键区别。美国国家实验室的化学家黛博拉•迈尔斯(Deborah Myers)表示，“与轻型汽车相比，重型汽车需要更高的电池电压才能达到最佳效率，而且所需寿命要长3 - 5倍，这对燃料电池材料的性能和耐久性提出了更高的要求。”解决方案包括材料研究，探索现有燃料电池组件材料如何在不同的温度和湿度以及更高的电池电压下运行和降解，以及研究如何整合新材料来应对这些挑战。

    M2FCT联盟汇集了与燃料电池效率和耐久性相关的不同领域的专业知识，并与工业开发商进行沟通。虽然该团队最初的研究重点是氢燃料的长途拖拉机拖车，但M2FCT的研究人员也对氢燃料电池在其他更苛刻的重型应用领域的应用前景表示乐观，包括火车、海事甚至航空。

    氢是一种多功能的能量载体，它被封装在H2@Scale概念中。你可以把能量储存在氢键中，这对于长期或季节性的能量储存是特别重要的。你可以在卡车或工业部门使用它，但你也可以把它转换成电力，投入电网，”卡伦说。“我们看到，人们对氢气作为能源载体的兴趣越来越大，而不仅仅是用于汽车。”

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相关政策的支持及基础设施建设的不断完善，推动氢燃料电池汽车逐步从此前较单一的应用场景向多场景示范应用转变。 《北京市关于支持氢能产业发展的若干政策措施》要求以省际间专线货运、城市重型货物运输、城市物流配送、城市客运等场景为重点，积极推动京津冀燃料电池汽车示范城市群建设，开展氢燃料电池汽车示范应用。 《北京市氢燃料电池汽车产业发展规划（2020-2025年）》则提出，要打造氢燃料城区公交、城郊公交、市政环卫示范车队，设立机场巴士示范线，组织开展京津冀地区重型车示范；重点完善公交车始末站点、环卫车停靠场站附近及城市物流集散地加氢站建设。该规划还要求，南部区域依托中国（河北）自由贸易试验区大兴片区，通过氢燃料电池汽车在机场巴士、货运物流等领域的推广应用，进一步将大兴区打造成为国际氢能示范区。 根据相关要求，2025年前北京市力争在各应用场景实现氢燃料电池汽车累计推广量突破1万辆。 对此，清华大学核能与新能源技术研究院教授、国际氢能协会副主席毛宗强在接受《经济参考报》记者采访时表示，北京市设立的1万辆目标基于现有基础，具有较强的可操作性。“目前冬奥会期间已经投入使用的氢燃料电池车超过1000辆，大兴、昌平等区域也在兴建相关产业园区；此外，北京路政还计划在‘十四五’期间引入共计550辆氢燃料电池重卡。因此，甚至可以预计这个目标将可超额完成。” 记者了解到，在具体落地方面，北京市要求以“宜电则电，宜氢则氢”为推广原则，聚焦物流配送、市政环卫、通勤客运、机场快线、公交、乘用车等共十类以中远途、中重型为主的应用场景，完成5300辆自主化燃料电池汽车的示范应用。 氢能利用前景广阔 对于未来氢燃料电池公交车的发展情况，《北京市氢燃料电池汽车车用加氢站发展规划（2021-2025年）》指出，现阶段市郊山区线路、远郊山区线路的传统燃油车辆，均具备氢燃料电池汽车替换潜力。预计北京市氢燃料电池汽车在七类应用场景的可推广潜力规模为13.70万辆，其中公交客运领域潜力规模近4万辆。该规划预测，2023年前北京市公交客运领域氢燃料电池汽车预计规模超1100辆，2025年前预计规模近5000辆。 值得一提的是，除了汽车领域，北京市还将推动氢能用于多个领域。比如，北京市将依托大兴、房山、经开区，开展氢动力无人机、船舶、轨道交通等产业全场景应用示范。 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“目前我国氢燃料电池车的膜电极、催化剂等核心零部件、基础材料仍依赖进口，我国应力争在2030年将其全部实现国产化。此外，目前国内氢燃料电池电堆的寿命为1万至2万小时，相较于国外2万至3万小时的水平仍有较大差距，因此我国应着力提高电堆的寿命。”王菊说。 氢能深度应用前景广阔 “交通领域作为先导，为氢能发展奠定了很好的产业基础。但氢能不等同于氢燃料电池，更不等同于氢燃料电池车。”中国国际经济交流中心能源政策研究部部长、研究员景春梅说。 景春梅介绍，我国80%的碳排放来自工业，而超过80%的氢气消费也在工业。 中国氢能联盟发布的数据显示，预计到2030年，我国工业领域氢气需求量为3559万吨，远高于交通领域156万吨的需求量。到2060年，交通和工业领域的氢气需求量分别为4051万吨和7794万吨。 “国内外关于氢气需求量的预测均表明，未来氢气消费量最大的领域依然是工业。”景春梅说。 业内专家认为，在工业领域，氢在零碳生产、原料和热源的替代方面扮演着重要角色。 景春梅表示，氢作为工业原料、还原剂或高品质热源，可以替代煤炭等化石原料，是新型能源体系中不可或缺的组成部分。 “化工生产是以氢、氮、碳等为基础元素的有机转化过程，而中国化工行业能源消耗占工业能耗总量的28%。零碳化工产品的生产路径，需要使用绿色电力和绿色氢能作为主要能源，同时氢作为原材料可以直接合成绿色材料。”付小龙说，“因此，以氢气、氮气和碳为原料进行的合成反应，形成化工行业的主要产品，是化工行业零碳转型升级的主要路径。而且，氢气在工业领域的规模化应用，将带动大功率绿氢制备技术及装备、管道输送及大规模储氢技术发展。” “氢能脱碳的最大‘战场’在工业，产业政策应关注氢能在工业领域的应用。建议出台相关扶持政策，促进绿氢在工业领域的规模化应用，以实现工业领域的深度脱碳。”付小龙说。（记者 余蕊 北京报道） 氢能产业链企业加紧补链强链 申能集团和法国彼欧集团近日在上海签署合作谅解备忘录，双方将成立合资公司，为我国商用车市场生产和提供三型及四型高压储氢瓶及储氢系统。作为国内较早布局氢能全产业链的地方能源企业，此举将进一步完善申能的氢能产业布局，发挥全产业链协同效应。 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值得一提的是，在氢能“卡脖子”项目上，申能集团也进行了较全方位的布局。比如，2021年6月，申能对关键核心零部件燃料电池催化剂和膜电极研发企业擎动科技进行了独家投资，同时基于前期的协同效应，2022年，申能集团旗下的燃料电池制造商氢晨科技通过换股形式收购擎动科技100%股权，率先开启了行业整合序幕。 而“三横”则是在氢能的应用场景领域，打造上海、省外一体化基地，并积极关注氢能在钢铁、热电联产等多场景的应用。目前，申能集团在上海临港、山西吕梁、内蒙古包头等多地推进建设一体化示范项目，由于一体化项目涉及氢能产业的多个环节，“申能系”氢能企业将发挥集群效应，一方面助力当地的产业升级和能源转型，另一方面也有助于形成可复制推广的氢能发展模式。 目前在申能集团的氢能规划中，旗下的申能能创能源发展有限公司已基本成为“旗舰投资平台”。“申能的投资更多是产业投资，而不是财务投资，财务投资是以退出为目标，而产业投资是以发展壮大长期持有为目标。”申能集团副总裁宋雪枫说，氢能的发展没有任何可复制的经验，在边实践边学习中，申能已基本具备氢能全产业链核心技术和运营的能力。 “氢能是申能集团发展战略性新兴产业的重要一环，是未来重要的新增长点。”申能集团董事长黄迪南此前在接受记者采访时表示，“十四五”期间，申能集团将按照既定战略，形成氢能上中下游高端制造产业集群，努力构建具有申能特色的氢能全产业链，助力我国氢能尽快实现产业化发展、规模化应用。
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  • 《氢燃料电池可以驱动新泽西州的清洁车辆吗？》
    • 来源专题：可再生能源
    • 编译者：pengh
    • 发布时间：2019-09-24
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