氢燃料电池：替代重型汽车内燃机的新选择

·工程21（2023）39意见和评论氢燃料电池：重型汽车内燃机的替代品Kevin Kendalla，Siyu Yeb，c，Zhixiang Liud，eaAdelan有限公司，英国伯明翰B17 9HDb广州大学化学化工学院黄埔氢能创新中心，广州510006cSinoHyKey Technology Company Ltd.，邮编：510760d云浮市先进能源科学与技术中心广东省实验室，云浮527326e广东中合氢能科技有限公司，云浮527326，中国1. 介绍受控燃烧可能是人类最古老的发明，提供食物，温暖，保护和数千年的电力。例如，在上个世纪，它使英国的农业劳动力减少到人口的近1%，取代了19世纪和更早时期占主导地位的马匹和肌肉力量。然而，就像所有伟大的发明一样，就像现在堵塞地球的塑料一样，内燃机的巨大成功为许多国家带来了财富，同时也伴随着气候变化和空气污染等灾难。1997年，全球从内燃机汽车向带有小型电池和电动机的混合动力汽车的过渡[3]对污染产生了重大影响。然而，欧洲在本世纪实现全电动交通的目标导致了取代柴油和汽油汽车的新目标。2009年，几种不同的电动车型（包括电池和氢气）进行了测试，并被证明是燃烧汽车的实际替代品，尽管在低生产率下价格昂贵;这是英国的一个转折点。到2021年，英国道路上的电池电动汽车（BEV;图1[5]）渗透率达到1%，现在几乎每年都翻一番[6]。然而，现在使用的较大电池（例如，100千瓦时）不能在住宅中过夜充电，而且许多家庭缺乏家庭基础设施。随着BEV在20世纪90年代的发展，氢燃料电池巴士由Ballard在加拿大不列颠哥伦比亚省温哥华创建[7]。从那时起，氢燃料电池公交车安装了一个大电池，以帮助加速和制动，现在被称为氢燃料电池电动汽车（HFCBEV）。 图 1 [5]将HFCBEV与纯BEV设计进行了比较。 新型HFCBEV概念的进展落后于BEV几年，但HFCBEV用于重型、高利用率车辆的优势现在变得更加清晰，目前全球有30，000辆HFCBEV正在进行演示和测试[8]。本文对纯电动汽车和氢氟碳纯电动汽车的竞争进展和潜力亚洲通过定义氢氟碳化合物电动汽车的技术空间、消费产品以及有组织地引入此类电气技术，展示了前进的方向以前的燃料电池预测过于乐观，包括奥斯特瓦尔德尽管自那时以来，情况发生了重大变化，但如果我们不能完全理解当前的机遇，我们可能会在绿色氢本文提出了一个更合理的时间表，以取代燃烧与氢氟碳化合物电动汽车技术，特别是高利用率的出租车和重型公共汽车和卡车，以促进共识，能源和运输系统的分析。从本质上讲，这里重申的论点已经有两个世纪的历史了，即电气设备最终将取代内燃机，尽管燃烧具有以下比较优势用于燃烧用途的矿物燃料成本低廉不纯的燃料仍然在内燃机中燃烧，而纯度对于电化学转化是必不可少的;电化学装置的大规模生产还不能成功地与柴油机和其他燃烧发动机的大规模生产竞争;电能存储在重量、成本和再充电时间方面一直是一个长期的问题。电动汽车的第一个基本优势是，与内燃机汽车相比，车辆能源需求减少了一半（基于标准驱动循环）[5]。其次，可再生电力越来越容易获得，可以用来电解水，以制造用于汽车的绿色氢气，将碳和其他排放量减少到接近零，并且每年都越来越便宜。从图1[5]所示的标准驾驶循环测试结果得出的主要结论（我们在车辆广告中承认为每100公里升，但在这里以标准单位表示https://doi.org/10.1016/j.eng.2022.11.0072095-8099/©2022 THE COMEORS.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志首页：www.elsevier.com/locate/eng●●●●K. Kendall，S.你和Z刘工程21（2023）3940···图1.一、2010年中国3800辆燃机汽车的能耗结果表明，燃机汽车的能耗是燃料电池/氢燃料电池电动汽车的两倍[5]。HFCBEV：氢燃料电池电动汽车。的MJ km-1）的一个重要原因是没有做净功，因为汽车以零速度回到其起点。这不是图1[5]描述的是每公里的能量消耗，而不是能量效率，能量效率的单位是百分比。因此，汽车中的耗散机制至关重要。最吸引人的是图1[5]中所示的理论曲线，该曲线是通过结合汽车中的不同损耗机制得出的，当每公里消耗的能量与车辆重量作图时，得到线性库仑摩擦图。在中国，3800种不同型号的汽油车进行了标准的驾驶循环测试，并绘制了损失的能量（MJ km-1）与重量（kN）的关系图。 汽油车是由内置的内燃机驱动的;这些能量损失（画在上面的线上）与图中的新型氢氟碳化合物电动汽车（画在下面的线上）进行了比较。 1[5]。该图显示，燃烧车辆比相同重量的HFCBEV然而，氢氟碳化合物电动汽车仍然没有生产数百万辆，以将成本降低到燃烧汽车的水平。有些车辆的损失与重量无关，如车窗电机的损失，而汽车轮胎的摩擦力与重量成线性理论曲线是通过添加十个不同的损失函数获得的重量至关重要;化石燃料消耗增加的主要原因之一是过去50年来车辆重量的增加，这几乎使燃料消耗增加了一倍[12]。因此，HFCBEV在同等重量下的能量损失是基于燃烧的汽车的一半（图1[5]），同时通过将重量从30 kN降低到8 kN而提高了另一个因素。大型卡车和公共汽车的能量损失也被测量[13]，落在相同的氢电池电力曲线上，表明重型氢氟碳化合物电动汽车比燃烧卡车和公共汽车有所改进埃隆·马斯克声称，与锂电池汽车相比，氢燃料汽车是“在峰值功率下，两种设备都产生大约一半的电力和一半的热量来自内部电阻损耗。典型BEV的结果几乎与图1中的HFCBEV相同[5]，尽管有几个百分点的优势可以得出结论，HFCBEV与图1中所用标准驱动循环试验中的BEV相似。 1 [5]，与combus相比，两者每公里的能耗都只有combus的一半。车辆。尽管如此，马斯克在制造氢气的过程中损失了大量能量，大约20%的能量是通过电解水损失的，并且只有绿色氢气才有意义。然而，值得注意的是，在英国电网充电的特斯拉汽车平均只有50%的绿色。实际上，2008年在英国展示的氢燃料电池/锂电池组合汽车（图1）。 2）以最小的成本表现出最佳的性能。其他车辆如丰田Mirai最初使用镍金属氢化物将氢燃料电池与蓄电池集成为从燃烧车辆过渡到电动车辆的问题提供了意想不到但有益的解决方案：HFCBEV具有比BEV更长的里程和更快的加油，因此适用于在长距离（例如500km）上运行18小时轮班的出租车、货车、卡车然而，已经发现单独的电池对于移动电话、膝上型计算机和许多其他小型应用是理想自1999年以来，中国一直是电池驱动自行车的全球领导者，由于中国几个地区对燃烧自行车的目前，中国每年销售约1700万辆电动自行车，全国各地使用的电动自行车近3亿辆。铅酸电池因其低成本和可回收性而主导了市场，但其他电池类型现在正在竞争。电动滑板车的这一进步是中国引领全球纯电动汽车制造的前兆，2021年的销量为290万辆，占中国汽车销量的11.1%尽管如此，挪威的电动汽车普及率仍然是最高的，年汽车销量的49%是纯电动汽车，预计到2025年将达到100%。问题是，为什么电池仅限于小型车辆，主要用于每天一小时左右？虽然电池性能一直在改善，但电池重量和充电时间仍然是关键问题。通常，BEV可以连续运行2-4小时，但随后需要长时间充电。目前，纯电动汽车无法与柴油动力汽车竞争，后者可以运行18小时，只需5分钟加油。这就是氢的优势所在：在高度利用的重型车辆中。中国现在主导着氢动力公交车和卡车制造，福田汽车的655辆HFCBEV公交车将在2022年2月的北京冬季奥运会上运营，需要28吨纯氢。在其他城市，如佛山，有1400辆氢氟电动汽车在运行。预计到2025年，中国的氢氟碳化合物电动汽车总数2030-2035年为80 000目前，过渡到HFCBEV的关键问题是氢燃料的碳强度，因为大多数氢都是由图二.化石氢（实线）和绿色氢（虚线）的过去（蓝色）和预测未来（红色）增长;前者预计将在本世纪晚些时候被后者超越。（插图）Kendall博士于2008年开设了英国第一个绿色氢气站，其中有五个HFCBEV。K. Kendall，S.你和Z刘工程21（2023）3941······全世界都是由化石燃料制造的。图中的实线。图2显示了占主导地位的全球“化石氢”生产，主要来自石化厂，从2000年的60Tga-1（1 Tg= 1012g）上升到2022年的80Tga-1;随后预测随着气候危机控制的生效，这将达到峰值。图2中的虚线显示了新的绿色氢气生产，据说当作者在2008 年 开 设 第 一 个英 国 绿 色 氢 气 站 时，需求几乎为零，为 五 辆HFCBEV提供燃料。 2）的情况。当时的绿色氢来自生物质，成本相当高;然而，剩余的风力发电现在很便宜，可以用来电解水，制造经济的绿色燃料。生物质、废水和其他绿色氢的来源也是合理的。中国计划每年利用可再生能源生产10万世界各地的国家和城市都在努力引入电动交通，现在主要基于BEV，奥斯陆目前在城市中处于领先地位。亚洲与西方之间的对比是鲜明的：英国在2021年制造了10万辆纯电动汽车，而中国则HFCBEV在人工制造数量方面远远落后于BEV，但正在强调需要长距离和短加油时间的重型、高度利用的车辆。英国目前正向WrightBus和AlexanderDennis订购数百辆氢燃料巴士，以供伯明翰和其他城市使用，目的是取代现有的32 000辆柴油巴士到2030年预计到2025年，中国的氢氟碳化合物电动汽车产量将比2020年增长55倍[19]。全球 拥有最多 氢氟碳化 合物电 动汽车的 城市是 美国洛杉 矶（13000辆）;日本须野市（6 000辆）;中国佛山（6 000辆）;韩国首尔（1 000辆）;德国汉堡（1 000辆）。另外还可以包括30000辆美国叉车。中国对氢燃料的承诺可以通过中国加氢站的安装激增来说明，加氢站从2017年的全国仅一个增加到2022年的174个运营加氢站。相比之下，联合王国目前只有四个在运作。中国政府对这些发展的补贴高于西方，这导致了生产率的一些波动，但总体上刺激了从燃烧到电动汽车的更快过渡绿色氢和化石燃料之间的经济竞争是一个持续的问题。随着化石燃料价格的上涨，通过风力电解生产氢气变得更加经济，到2025年，在英国应该比柴油化石燃料便宜。总之，HFCBEV落后于纯BEV（即，在生产数量方面现在，由于重型公共汽车和卡车需要额外的能量储存，氢氟碳电动汽车的数量正在一辆典型的电池汽车需要大约50千瓦时的储存能量，相当于大约1公斤的氢气。出租车需要250千瓦时，这使得锂电池对于此类应用来说既太重又太贵，而丰田2021 Mirai可以轻松地使用5公斤（215千瓦时）的氢气行驶500公里。 一辆公共汽车可能需要30公斤的氢-大约1300千瓦时-行驶400公里，这相当于7吨锂电池;因此，锂电池对于在等效BEV公共汽车中的应用来说太重了。因此，在1993年巴拉德公共汽车[7]中首次展示的氢燃料电池电动技术现在显示出比纯BEV更大的优势，用于重型，高利用率的汽车，预计到2030-2035年将在全球范围内激增到那时，预计将在全球部署数百万台HFCBEV，特别是与来自可再生电力的绿色氢相结合，这将减少能源浪费并减少当前化石燃料车辆的碳排放[20]。有毒排放、碳排放和能量耗散的燃烧问题可能在21世纪内得到越来越多的解决，预计到2050年将取得实质性进展。引用[1] 工业化农业和小规模农业[互联网]。柏林：全球农业; [引用2022年7月1日]。网址 ： https ： www.globalagriculture.org/report-topics/industrial-agriculture-and-small-scale-farming.html。[2] 汽车的二氧化碳排放量：事实和数字（信息图表）[互联网].斯特拉斯堡：欧洲议会; [更新 2022年6月15日; 引用2022年 7月1日] 。可从：https://www.europarl.europa.eu/news/en/headlines/society/20190313STO31218/co2-emissions-from-cars-facts-and-figures-infographics获得。[3] 普锐斯诞生背后的故事，第一部分[互联网]。丰田：丰田汽车公司; 2017年12月11日[引用2022年7月1日]。可从以下网址获得：https://global.toyota/en/detail/20209700[4] King J. 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