鉅大LARGE | 點擊量:895次 | 2021年08月12日
燃料動力鋰電池在特殊工程車輛范疇的使用進(jìn)展
燃料動力電池是一種清潔高效的能源利用技術(shù),在特殊工程車輛范疇推廣使用,有利于實現(xiàn)大氣污染物SO2、NOx、PM零排放,促使溫室氣體CO2減排。綜述了燃料動力電池為動力的礦山車、卡軌車、掉頭機車和貨運卡車的使用進(jìn)展,分解了燃料動力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(rèn)為燃料動力電池工程車輛已經(jīng)具備了規(guī)?;褂玫臈l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,關(guān)于促使綠色可繼續(xù)發(fā)展具有緊要意義。
燃料動力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)能筆直轉(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,燃料動力電池的發(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,燃料動力電池在交通、固定電站和便攜電源等范疇的使用越來越受到關(guān)注;尤其是在電動汽車范疇,世界各國已投入大量資金進(jìn)行燃料動力電池汽車的開發(fā)和示范使用。
然而,受制于造價較高和加氫設(shè)施不足等因素的影響,燃料動力電池汽車的推廣使用進(jìn)程進(jìn)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,燃料動力電池在成本敏感度相對較低且易于建設(shè)加氫設(shè)施的特殊工程車輛范疇的使用受到重視,并有望率先進(jìn)入實用化。迄今為止,燃料動力電池在礦山車、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)了示范使用,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燃料動力電池的技術(shù)特點
充電溫度:0~45℃
-放電溫度:-40~+55℃
-40℃最大放電倍率:1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%
燃料動力電池的發(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(jìn)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)。
燃料動力電池與內(nèi)燃機相比,能量轉(zhuǎn)化效率顯著提高,尤其在中低負(fù)荷運行條件下,燃料動力電池的能量效率接近50%(圖2a),這有利于提高燃料利用率,節(jié)省燃料成本。與此同時,燃料動力電池實現(xiàn)了SO2、NOx和PM的零排放,當(dāng)采用天然氣重整氫氣做燃料時,CO2排放量削減約40%,當(dāng)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(圖2b)。
燃料動力電池不僅具有清潔低碳和高效節(jié)能的技術(shù)優(yōu)勢,還具有功率密度高和能量密度高的實用性特點。由于燃料動力電池系統(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(dá)到650W/L或650W/kg,因而有潛力在多種使用范疇替代內(nèi)燃機。此外,燃料動力電池還具有啟動速度快、低噪聲、無振動等優(yōu)勢,使用便捷性和舒適性也更好。
2燃料動力電池在特殊車輛范疇的使用
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關(guān)閉環(huán)境條件下作業(yè)時,柴油機持續(xù)萌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,威脅到加工安全和人員健康,因此非得配套相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)施促使作業(yè)位置熱量和空氣置換。關(guān)于大多數(shù)地下礦井,通風(fēng)系統(tǒng)耗電量大,往往占礦井總用電量的大部分。
燃料動力電池礦山車能量轉(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,采用燃料動力電池礦山車替代柴油機礦山車進(jìn)行井下作業(yè),可以大幅減少所需的礦井通風(fēng)量,有利于節(jié)省通風(fēng)系統(tǒng)電耗,降低礦井運行成本。2003年,美國VehicleProjects公司聯(lián)合內(nèi)華達(dá)州立大學(xué)對美國和加拿大近100個金屬、非金屬礦進(jìn)行考察,并通過模擬計算分解了幾個典型的金礦、銀礦、鉬礦、鹽礦和石灰石礦,發(fā)現(xiàn)采用燃料動力電池礦山車替代柴油機車作業(yè)時,地下礦井所需的通風(fēng)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(dá)州TurquoiseRidge金礦為例,其井下作業(yè)的柴油機礦山車總功率約6800kW,若替換為燃料動力電池礦山車,所需井下通風(fēng)量由526.5m3/s降低至230m3/s,通風(fēng)排氣管徑由6.1m縮小至4.2m,通風(fēng)系統(tǒng)年用電成本下降約150萬美元,通風(fēng)設(shè)施建設(shè)投資也減少了約350萬美。
2005年,VehicleProjects公司開發(fā)了一臺燃料動力電池裝載機,在美國內(nèi)華達(dá)州TurquoiseRidge金礦和加拿大LaRonde金礦的地下礦井進(jìn)行了總計1000小時的示范運行。該裝載機采用CaterpillarR1300型礦山裝載機的架構(gòu),通過87kW燃料動力電池和65kW鎳氫儲能電池包成混合動力系統(tǒng)(圖3),瞬時最大輸出功率超過140kW,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(yán)格限制氫氣泄漏以保證加工安全,該燃料動力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14kg,可滿足至少6h不間斷作業(yè)(柴油裝載機約8h),在裝載機工作間歇時,儲氫系統(tǒng)可送至礦井外再次加氫。
2012年,VehicleProjects公司與南非AngloAmericanPlatinum公司合作,設(shè)計開發(fā)了一款超小型遠(yuǎn)程控制燃料動力電池推土機,用于替代常規(guī)的蓄電池推土機,在bathopele鉑金礦進(jìn)行示范使用。安裝9kW電堆和2MPa氫化物儲氫罐,該燃料動力電池推土機可持續(xù)運行8h,續(xù)航能力超過蓄電池推土機(約6h)。使用過程中,燃料動力電池推土機單次加氫時間約40min,比蓄電池推土機(充電時間大于8h)更加快捷。
2.2卡軌車
卡軌車是煤礦緊要的輔助運輸設(shè)備,根據(jù)動力種類,重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,但萌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。關(guān)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。燃料動力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,具有很好的使用潛力。
2012年,AngloAmericanPlatinum公司與Vehi-cleProjects公司合作開發(fā)了5輛燃料動力電池卡軌車,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公司加工的FCveloCity-9SSLV4型燃料動力電池電堆,額定輸出功率17kW,配套鋰離子儲能電池包成混合動力,瞬時輸出功率最高可達(dá)45kW。該卡軌車儲氫系統(tǒng)采用氫化物介質(zhì),儲氫量3.5kg,理論儲能50kWh??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)供應(yīng)的2MPa氫氣進(jìn)入儲氫介質(zhì)形成氫化物,耗時約20~30min;儲氫系統(tǒng)加氫完成后,利用燃料動力電池的循環(huán)熱水將儲氫介質(zhì)加熱至60~70℃,此時氫化物分析放出壓力為1~1.5MPa的氫氣,供燃料動力電池使用??ㄜ壾囌麄€加氫-使用過程中,氫氣的壓力不超過2MPa,安全性好。
由于燃料動力電池功率密度高,卡軌車的燃料動力電池-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)總體積僅為0.5m3,外加儲氫系統(tǒng)體積0.3m3,可以緊湊集成在1m3空間內(nèi),無需改變卡軌車原有構(gòu)架(圖4)。示范運行聲明,與蓄電池卡軌車相比,燃料動力電池卡軌車具有相近的動力性能,完全可以滿足使用要,并且續(xù)航能力顯著新增;相比于同等功率的柴油機卡軌車(能量效率約30%),燃料動力電池卡軌車能量利用效率顯著提高,可達(dá)50%,有利于節(jié)省燃料。
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。燃料動力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。
2010年,bNSF鐵路公司在美國洛杉磯示范運行了一輛自重130t的燃料動力電池掉頭機車,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(600~1000kW),但穩(wěn)定運行功率低(40~100kW)的特點,該掉頭機車采用了燃料動力電池-蓄電池混合動力系統(tǒng),由2個300kW的燃料動力電池電堆與鉛酸蓄電池搭配,瞬時輸出功率可達(dá)1MW。機車儲氫系統(tǒng)由14個35MPa碳纖維氫罐組成,加氫量70kg,有效使用量63.5kg。實際運行條件下,燃料動力電池掉頭機車牽引重量200t~1800t,所需均勻輸出功率約96kW,每小時耗氫量約5.73kg,一次加氫后可供使用約11h,能量效率達(dá)到41%~49%。由于1kg氫的熱值相當(dāng)于3.5L柴油,且二者成本相似,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,燃料動力電池掉頭機車與柴油機車的燃料成本相當(dāng)。
bNSF鐵路公司對燃料動力電池掉頭機車的示范進(jìn)運行聲明,燃料動力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,已成為城市霧霾的緊要來源之一。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)化使用,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?yán)m(xù)航里程一般小于160km)。相比之下,燃料動力電池能量密度高,使用于貨運卡車具有神奇優(yōu)點。
2011年,美國Vision公司推出了世界首輛燃料動力電池8級卡車(自重大于14969kg)用于洛杉磯市區(qū)和長灘港之間的物流運輸。該燃料動力電池卡車采用65kW燃料動力電池-130kWh鋰離子電池混合動力系統(tǒng),牽引重量15t,一次加氫量20kg(35MPa),續(xù)航里程可達(dá)320km。卡車行駛過程中,燃料動力電池向鋰離子電池繼續(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,該燃料動力電池卡車的燃料成本節(jié)省約35%,且大氣污染物排放量顯著降低。
2016年,Nikola公司公布了商業(yè)化的燃料動力電池增程式電動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320kWh鋰離子電池供應(yīng)動力,搭載200kW燃料動力電池向鋰離子電池繼續(xù)充電,續(xù)航里程可達(dá)1200~1900km。該卡車由六輪驅(qū)動,總輸出功率可達(dá)1440kW,最大扭矩2670Nm,牽引重量可達(dá)36t。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)航里程比柴油卡車新增近1倍。見圖6。
3結(jié)論與展望
燃料動力電池作為一種清潔高效的能源利用方式,在特殊工程車輛范疇具有巨大的使用潛力。以燃料動力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。燃料動力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,隨著燃料動力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,燃料動力電池制造成本逐漸下降,使用壽命不斷新增,市場競爭力顯著提高。與此同時,燃料動力電池混合動力技術(shù)和增程技術(shù)的使用,保障了燃料動力電池系統(tǒng)的可靠性,充足發(fā)揮了燃料動力電池功率密度和能量密度高的特點,拓寬了燃料動力電池在長距離、大載量貨物運輸?shù)忍厥鈭龊系氖褂?,成為替代柴油機使用于工程車輛的最優(yōu)方法之一。因此,燃料動力電池在特殊工程車輛范疇已經(jīng)具備了規(guī)?;褂玫臈l件。