燃料電池系列科普?qǐng)?bào)告----儲(chǔ)運(yùn)

我國(guó)燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取。在本文中，將會(huì)為大家介紹氫氣制成后的儲(chǔ)運(yùn)問題，其中包括管道運(yùn)輸與專用車輛運(yùn)輸兩個(gè)部分，并介紹我國(guó)加氫站的發(fā)展?fàn)顩r。

思考的問題:

重要結(jié)論

氫氣儲(chǔ)運(yùn)的關(guān)鍵問題在于安全性及成本問題。目前來看，管道運(yùn)輸與特殊車輛運(yùn)輸是性價(jià)比較高的兩種儲(chǔ)運(yùn)方式。從實(shí)際應(yīng)用上看，長(zhǎng)距離運(yùn)輸更適宜使用管道運(yùn)輸，而特殊車輛運(yùn)輸，如魚雷車等，更加適合于短距離氫氣的運(yùn)輸。但不論哪種運(yùn)輸方式，其成本與發(fā)展都與加氫站的建設(shè)有很大的關(guān)系，我國(guó)正努力加快加氫站的建設(shè)。

1、氫氣的主要儲(chǔ)存及運(yùn)輸方式

氫氣運(yùn)輸一直是阻擋氫燃料運(yùn)用的一個(gè)重大障礙。由于氫氣極小的密度以及易燃易爆的特性，現(xiàn)場(chǎng)生產(chǎn)就地使用是最佳的方式。但由于低成本、小規(guī)模、靈活分部的制氫方式尚未實(shí)現(xiàn)，作為汽車燃料的氫氣需要進(jìn)行貯運(yùn)。氫的貯運(yùn)方式主要有氣態(tài)貯運(yùn)、液態(tài)貯運(yùn)和金屬氫化物貯運(yùn)。其中前三者是傳統(tǒng)的儲(chǔ)氫方法，各具有其優(yōu)缺點(diǎn)。目前加氫站普遍采用的是利用長(zhǎng)管拖車貯運(yùn)高壓氣態(tài)氫氣。

不同的儲(chǔ)運(yùn)方式，運(yùn)輸成本與成本又有所不同。如氣氫拖車是未來一段時(shí)間內(nèi)的主要運(yùn)輸方式。以200Km運(yùn)輸距離和每天10噸的運(yùn)輸規(guī)模來看，成本可達(dá)到2.02元/Kg;管道運(yùn)輸運(yùn)營(yíng)成本低，運(yùn)輸規(guī)模龐大，但投資成本高，且只能點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，難以成為主流;液氫罐車是未來的重要方向，運(yùn)輸能力是氣氫拖車的10倍以上，成本隨規(guī)模上升而下降。

2、氫氣儲(chǔ)運(yùn)-管道運(yùn)輸

2.1管道運(yùn)輸概況分析

雖然管道運(yùn)輸只能做到點(diǎn)對(duì)點(diǎn)，但對(duì)于大量、長(zhǎng)距離的氫氣輸送來說，管道運(yùn)輸仍然是最有效的方法。氫氣的長(zhǎng)距離管道輸送已有60余年的歷史。目前，全球用于輸送工業(yè)氫氣的管道總長(zhǎng)已超過1000公里，直徑0.25-0.3m，操作壓力一般位1-3MPa，輸氣量310-8900Kg/h,其中德國(guó)擁有208公里，法國(guó)空氣液化公司在比利時(shí)、法國(guó)、新西蘭擁有880公里，美國(guó)也已達(dá)到720公里。

國(guó)內(nèi)首條氫氣專用運(yùn)輸管道，如石化洛陽(yáng)煉化濟(jì)源至洛陽(yáng)氫氣輸送管道工程，于2015年10月竣工完成。線路水平長(zhǎng)度為25公里，年輸氣量10.04萬噸。管道沿線地形以丘陵為主，地勢(shì)起伏較大，管道沿線頂箱涵穿越鐵路2處，頂管穿越省級(jí)高速公路1處、等級(jí)公路5處，定向鉆穿越?jīng)_溝2次、穿越河流1次。

實(shí)際上，目前的天然氣管道就可用于輸送氫氣和天然氣的混合氣體，也可經(jīng)過改造輸送純氫氣，這主要取決于鋼管財(cái)智中的含碳量，盡量使用含碳量低的材料制成的管道來運(yùn)輸氫氣，減少因氫脆現(xiàn)象而導(dǎo)致的氫氣逃逸。

2.2管道運(yùn)輸成本分析

分別對(duì)加氫站數(shù)量為1個(gè)、4個(gè)、8個(gè)、16個(gè)共四種情況計(jì)算氫氣運(yùn)輸成本。假設(shè)加氫站距離氫源點(diǎn)的距離一定，經(jīng)過試驗(yàn)?zāi)M可知，氫氣的運(yùn)輸成本隨著每個(gè)加氫站規(guī)模的增加而迅速減少，但三條曲線基本重疊，說明加氫站數(shù)量的增加并不減少氫氣運(yùn)輸成本，其原因是增加加氫站需要另外鋪設(shè)氫氣管道，其昂貴的投資使氫氣運(yùn)輸成本基本維持不變。根據(jù)結(jié)果可知，當(dāng)加氫站規(guī)模達(dá)到1500Kg/d時(shí)，氫氣的運(yùn)輸成本大約為6元/Kg。

3、氫氣儲(chǔ)運(yùn)-魚雷車

在所有元素中，氫的重量最輕，標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L，氣態(tài)壓縮高壓儲(chǔ)氫是最普通最直接的儲(chǔ)氫方式，通過減壓閥即可將氫氣排除和調(diào)節(jié)排氣量的大小。

氣氫魚雷拖車是未來一段時(shí)間內(nèi)的主要運(yùn)輸方式。以200Km運(yùn)輸距離和每天10噸的運(yùn)輸規(guī)模來看，成本可達(dá)到2.02元/Kg;大部分成本來自于壓縮/液化設(shè)備、存儲(chǔ)設(shè)備的投資，對(duì)于氫氣的短途運(yùn)輸，是一個(gè)非常不錯(cuò)的選擇。

按照同樣的成本分析方法，經(jīng)過分析，當(dāng)加氫站數(shù)量少時(shí)，運(yùn)輸成本可高達(dá)4.7元/Kg。隨著加氫站數(shù)量的增加和加氫站規(guī)模的增大，成本逐漸降低，但是在加氫站數(shù)量較少時(shí)，成本在下降過程中出現(xiàn)波動(dòng)。這與長(zhǎng)管拖車?yán)眯视嘘P(guān)。

4、氫氣儲(chǔ)運(yùn)基礎(chǔ)設(shè)施-加氫站的建設(shè)

加氫站的建設(shè)不僅與氫氣儲(chǔ)運(yùn)緊密相關(guān)，而且與燃料電池車的使用也有著密不可分的聯(lián)系。目前，我國(guó)現(xiàn)有加氫站數(shù)量稀少，且沒有長(zhǎng)期規(guī)劃。據(jù)介紹，國(guó)內(nèi)加氫站僅有4個(gè)，分別是2006年建成的北京加氫站，2008年建成的上海安亭加氫站，2011年建設(shè)了簡(jiǎn)易的加氫站，2015年最新建成的鄭州宇通加氫站。上海安亭加氫站始建于2007年11月，該站主要采用外供氫氣，加注壓力為35MPa，存儲(chǔ)壓力為43.8MPa，存儲(chǔ)容量為800公斤。截至2015年6月，安亭加氫站累計(jì)加注6013次，加注總量為10216公斤。

雖然我國(guó)目前尚未制定加氫站建設(shè)規(guī)劃，隨著世界各國(guó)都啟動(dòng)了加氫站建設(shè)，可以預(yù)測(cè)我國(guó)在補(bǔ)貼燃料電池汽車的同時(shí)也將進(jìn)行積極的加氫站布局。

在燃料電池汽車遠(yuǎn)遠(yuǎn)未普及的當(dāng)下，國(guó)務(wù)院已經(jīng)為加氫站的設(shè)計(jì)建造和氫氣的運(yùn)輸存儲(chǔ)都制訂了嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)，為未來燃料電池汽車基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)打好基礎(chǔ)。

總結(jié)

目前的氫氣輸運(yùn)方法中，公路運(yùn)輸?shù)母脑斐杀咀钚。彩侨毡菊诓捎玫姆椒?，具有較強(qiáng)的借鑒意義。管道伴輸如果成功，將可以極大降低氫氣的運(yùn)輸成本，但是目前看距離實(shí)際應(yīng)用仍有一定距離。

燃料電池系統(tǒng)

我國(guó)燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)問題。在本文中，將會(huì)為大家介紹燃料電池系統(tǒng)的問題，包括其組成、發(fā)展?fàn)顩r以及目前主流的燃料電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)介。

思考的問題：

燃料電池系統(tǒng)是由哪些部分組成的?關(guān)鍵部件與技術(shù)是什么?

目前國(guó)內(nèi)主流的燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商情況如何?

重要結(jié)論

燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括電堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器以及空氣壓縮機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)包括水熱管理技術(shù)、低溫冷起動(dòng)、系統(tǒng)的控制技術(shù)等。目前在國(guó)際上，包括日本、美國(guó)、德國(guó)，燃料電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個(gè)階段，燃料電池的技術(shù)主要是集中在降低成本產(chǎn)業(yè)化的階段。國(guó)內(nèi)企業(yè)主要依賴國(guó)外公司的現(xiàn)有技術(shù)并進(jìn)行深入研究，主要公司有大連新源動(dòng)力和大洋電機(jī)兩家公司。

1、燃料電池系統(tǒng)簡(jiǎn)介

燃料電池系統(tǒng)是燃料電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料電池汽車與動(dòng)力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應(yīng)生電。燃料電池系統(tǒng)是主要由電堆、燃料處理器、功率調(diào)節(jié)器、空氣壓縮機(jī)組成。每一個(gè)系統(tǒng)組成部件都有其特有的關(guān)鍵技術(shù)，其中電堆技術(shù)最為關(guān)鍵。

燃料電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料電池(FC)單體按照一定的方式組合在一起構(gòu)成燃料電池堆，并配置相應(yīng)的輔助設(shè)備(BOP，BalanceOfPlant)，同時(shí)在燃料電池控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)燃料電池的正常運(yùn)行，共同構(gòu)成了燃料電池系統(tǒng)。用作車輛動(dòng)力源的燃料電池系統(tǒng)，稱為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料電池堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心，BOP維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、燃料電池用加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)控制單元。以氫為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

燃料電池堆是燃料電池系統(tǒng)的主要元件，包括電極、質(zhì)子交換膜(PEM)、雙極板、氣體擴(kuò)散層(GDL)、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極(MEA)，它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導(dǎo)性的一層加壓薄層，也是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。PEM是陰極催化層和陽(yáng)極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導(dǎo)的介質(zhì)，PEM的性能直接影響整個(gè)電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，提供滿足車用動(dòng)力需求的電功率。

燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù)。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關(guān)鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統(tǒng)的問題。經(jīng)過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關(guān)鍵因素有：動(dòng)態(tài)工況、起動(dòng)、連續(xù)怠速等，這些因素都是通過由系統(tǒng)控制所最終決定的。因此，燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù)成為燃料電池最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

圖中燃料電池控制單元包括空壓機(jī)控制模塊、燃料電池系統(tǒng)控制模塊以及電池電壓監(jiān)控模塊。其中空壓機(jī)控制箱接收燃料電池控制模塊發(fā)送的控制信號(hào)，同時(shí)把反饋信號(hào)(如空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速等)發(fā)給燃料電池系統(tǒng)控制模塊。燃料電池系統(tǒng)控制模塊主要根據(jù)接受的各種信號(hào)，來確定合適的控制參數(shù)，并通過CAN總線與車輛管理系統(tǒng)通訊。電池電壓監(jiān)控模塊用于監(jiān)控單池電壓，當(dāng)電壓過低時(shí)向燃料電池控制模塊發(fā)送警告信號(hào)。通過輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的綜合作用實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的最有利用。

2、國(guó)內(nèi)燃料電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機(jī)電控相同的地方是，目前國(guó)際上主流的燃料電池系統(tǒng)也是分為整車廠自主研發(fā)及配套采購(gòu)兩種模式。乘用車方面，已經(jīng)量產(chǎn)的燃料電池汽車豐田Mirai和本田Clarity都搭載自主研制的燃料電池系統(tǒng)，其他主流車企也在加快研發(fā)進(jìn)程;商用車方面，主要采用配套采購(gòu)方式，巴拉德是國(guó)際燃料電池系統(tǒng)龍頭，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)的燃料電池公共汽車提供動(dòng)力系統(tǒng)。

大連新源動(dòng)力(南都電源參股)：

新源動(dòng)力作為國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)研究程度最深的公司之一，在燃料電池系統(tǒng)的小型化、集成化等方面深入耕耘，與多家國(guó)內(nèi)主流車企形成了穩(wěn)定的供應(yīng)關(guān)系。待加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)完善、規(guī)?；?yīng)提升使成本逐漸降低后，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車極可能出現(xiàn)類似日本今年一季度的爆發(fā)行情。

公司認(rèn)為燃料電池系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力來源于設(shè)計(jì)，不論是極板材料的選擇、流道的設(shè)計(jì)，還是層級(jí)結(jié)構(gòu)的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個(gè)領(lǐng)域，功率從5KW-120KW，產(chǎn)品類型齊全。

大洋電機(jī)：

大洋電機(jī)的燃料電池技術(shù)來源于加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司，巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司成立于1979年，從1983年開始研發(fā)燃料電池，其核心技術(shù)在于質(zhì)子交換膜。1997年公司與戴姆斯-克萊斯勒組建合資企業(yè)，共同開發(fā)燃料電池汽車市場(chǎng)。2007年至2009年，開始轉(zhuǎn)型發(fā)展清潔能源燃料電池產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于智慧能源解決方案。目前公司的主要產(chǎn)品有：1)質(zhì)子交換膜燃料電池堆的原始設(shè)備和系統(tǒng)集成;2)動(dòng)力模塊，為叉車、公共汽車和輕軌提供靈活的解決方案;3)固定系統(tǒng)，提供一個(gè)全面的氫燃料組合電力系統(tǒng)，來支持一系列應(yīng)用程序。

巴拉德在燃料電池領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，過去的30年中巴拉德的技術(shù)工程投資超過10億美元，生產(chǎn)了超過200兆瓦的燃料電池堆、240萬個(gè)膜電極組件和3000個(gè)固定式燃料電池系統(tǒng)?，F(xiàn)在，搭載巴拉德燃料電池系統(tǒng)的公交車行駛里程超過百萬千米，并且為包括豐田、大眾、奧迪等在內(nèi)的全球前八大車企提供了超過500個(gè)燃料電池產(chǎn)品和超過1000小時(shí)的咨詢服務(wù)。

簽訂燃料電池模塊組裝框架協(xié)議，加快公司燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。大洋電機(jī)利用巴拉德成熟的燃料電池系統(tǒng)技術(shù)及自身在電機(jī)及混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與車企進(jìn)行了燃料電池汽車的緊密合作，尤其在燃料電池客車領(lǐng)域已經(jīng)獲得了較大進(jìn)展。目前，大洋電機(jī)正在建設(shè)燃料電池模組組裝生產(chǎn)線，巴拉德提供技術(shù)支持，該業(yè)務(wù)短期內(nèi)面向商用車和物流車，合作的車廠包括佛山飛馳、東風(fēng)特汽等。

3、總結(jié)

本篇科普，我們?cè)敿?xì)介紹了燃料電池堆的結(jié)構(gòu)，及國(guó)內(nèi)外燃料電池堆的發(fā)展現(xiàn)狀。但是，由于燃料電池堆響應(yīng)速度較慢，因此通常都需要搭配一套電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形成混合動(dòng)力系統(tǒng)。下一篇科普?qǐng)?bào)告中，我們將詳細(xì)介紹混合動(dòng)力系統(tǒng)的工作原理。