作者：許壯何廣利

燃料電池是一種清潔高效的能源利用技術(shù)，在特殊工程車輛領(lǐng)域推廣應(yīng)用，有利于實(shí)現(xiàn)大氣污染物SO2、NOx、PM零排放，促進(jìn)溫室氣體CO2減排。綜述了燃料電池為動(dòng)力的礦山車、卡軌車、掉頭機(jī)車和貨運(yùn)卡車的應(yīng)用進(jìn)展，分析了燃料電池工程車輛替代內(nèi)燃機(jī)車的技術(shù)可行性以及由此帶來的環(huán)保效益，認(rèn)為燃料電池工程車輛已經(jīng)具備了規(guī)模化應(yīng)用的條件。

我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)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(jìn)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(xué)反應(yīng)將燃料的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，同時(shí)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(lǐng)域的應(yīng)用越來越受到關(guān)注；尤其是在電動(dòng)汽車領(lǐng)域，世界各國已投入大量資金進(jìn)行燃料電池汽車的開發(fā)和示范應(yīng)用。

然而，受制于造價(jià)較高和加氫設(shè)施不足等因素的影響，燃料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(jī)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(shè)加氫設(shè)施的特殊工程車輛領(lǐng)域的應(yīng)用受到重視，并有望率先進(jìn)入實(shí)用化。迄今為止，燃料電池在礦山車、掉頭機(jī)車、貨運(yùn)卡車和有軌電車等種類的工程車輛上已實(shí)現(xiàn)了示范應(yīng)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(jì)性，具有較好的市場化前景。

1燃料電池的技術(shù)特點(diǎn)

燃料電池的發(fā)電過程是與熱機(jī)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(shí)，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）。

燃料電池與內(nèi)燃機(jī)相比，能量轉(zhuǎn)化效率顯著提高，尤其在中低負(fù)荷運(yùn)行條件下，燃料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(shí)，燃料電池實(shí)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(shí)，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(shí)，可實(shí)現(xiàn)CO2零排放（圖2b）。

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(diǎn)，還具有功率密度高和能量密度高的實(shí)用性特征。由于燃料電池系統(tǒng)采用薄膜組件和模塊化設(shè)計(jì)，功率密度可以與汽油或柴油發(fā)動(dòng)機(jī)接近，達(dá)到650W/L或650W/kg，因而有潛力在多種應(yīng)用領(lǐng)域替代內(nèi)燃機(jī)。此外，燃料電池還具有啟動(dòng)速度快、低噪聲、無振動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，使用便捷性和舒適性也更好。

2燃料電池在特殊車輛領(lǐng)域的應(yīng)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(yùn)輸和裝卸的工程車，一般以柴油機(jī)為動(dòng)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(shí)，柴油機(jī)連續(xù)產(chǎn)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，威脅到生產(chǎn)安全和人員健康，因此必須配套相應(yīng)的通風(fēng)設(shè)施促進(jìn)作業(yè)位置熱量和空氣置換。對于大多數(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(jī)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(jī)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(yùn)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(gè)金屬、非金屬礦進(jìn)行考察，并通過模擬計(jì)算分析了幾個(gè)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(jī)車作業(yè)時(shí)，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(jī)礦山車總功率約6800kW，若替換為燃料電池礦山車，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(tái)燃料電池裝載機(jī)，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(jì)1000小時(shí)的示范運(yùn)行。該裝載機(jī)采用CaterpillarR1300型礦山裝載機(jī)的架構(gòu)，通過87kW燃料電池和65kW鎳氫儲(chǔ)能電池組成混合動(dòng)力系統(tǒng)（圖3），瞬時(shí)最大輸出功率超過140kW，綜合動(dòng)力性能與柴油機(jī)礦山車接近。由于井下作業(yè)時(shí)需嚴(yán)格限制氫氣泄漏以保證生產(chǎn)安全，該燃料電池裝載機(jī)選用了可拆卸的氫化物儲(chǔ)氫系統(tǒng)，安裝在動(dòng)力系統(tǒng)兩側(cè)，其儲(chǔ)氫壓力低，儲(chǔ)氫總量14kg，可滿足至少6h不間斷作業(yè)（柴油裝載機(jī)約8h），在裝載機(jī)工作間歇時(shí)，儲(chǔ)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(jì)開發(fā)了一款超小型遠(yuǎn)程控制燃料電池推土機(jī)，用于替代常規(guī)的蓄電池推土機(jī)，在Bathopele鉑金礦進(jìn)行示范應(yīng)用。安裝9kW電堆和2MPa氫化物儲(chǔ)氫罐，該燃料電池推土機(jī)可連續(xù)運(yùn)行8h，續(xù)航能力超過蓄電池推土機(jī)（約6h）。使用過程中，燃料電池推土機(jī)單次加氫時(shí)間約40min，比蓄電池推土機(jī)（充電時(shí)間大于8h）更加快捷。

2.2卡軌車

卡軌車是煤礦重要的輔助運(yùn)輸設(shè)備，依據(jù)動(dòng)力種類，主要包括鋼絲繩牽引卡軌車、防爆柴油機(jī)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(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(jī)卡軌車能夠更加靈活的操作和運(yùn)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(shí)間使用，且充電時(shí)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(shí)間短，因而更加靈活、經(jīng)濟(jì)、環(huán)保，具有很好的應(yīng)用潛力。

2012年，AngloAmericanPlatinum公司與Vehi－cleProjects公司合作開發(fā)了5輛燃料電池卡軌車，在南非Dishaba鉑金礦的地面和井下示范運(yùn)行。該卡軌車動(dòng)力系統(tǒng)采用Ballard公司生產(chǎn)的FCveloCity-9SSLV4型燃料電池電堆，額定輸出功率17kW，配套鋰離子儲(chǔ)能電池組成混合動(dòng)力，瞬時(shí)輸出功率最高可達(dá)45kW。該卡軌車儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用氫化物介質(zhì)，儲(chǔ)氫量3.5kg，理論儲(chǔ)能50kWh?？ㄜ壾嚰託鋾r(shí)，采用水冷或空冷將儲(chǔ)氫介質(zhì)維持在室溫，管網(wǎng)提供的2MPa氫氣進(jìn)入儲(chǔ)氫介質(zhì)形成氫化物，耗時(shí)約20~30min；儲(chǔ)氫系統(tǒng)加氫完成后，利用燃料電池的循環(huán)熱水將儲(chǔ)氫介質(zhì)加熱至60~70℃，此時(shí)氫化物分解放出壓力為1~1.5MPa的氫氣，供燃料電池使用。卡軌車整個(gè)加氫-使用過程中，氫氣的壓力不超過2MPa，安全性好。

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(dòng)力系統(tǒng)總體積僅為0.5m3，外加儲(chǔ)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(yùn)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(dòng)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(jī)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(dá)50%，有利于節(jié)省燃料。

2.3掉頭機(jī)車

掉頭機(jī)車一般以柴油機(jī)為動(dòng)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(jī)車不排放任何大氣污染物，并且無噪聲，有利于實(shí)現(xiàn)清潔環(huán)保。

2010年，BNSF鐵路公司在美國洛杉磯示范運(yùn)行了一輛自重130t的燃料電池掉頭機(jī)車，用于減少市郊內(nèi)燃機(jī)車帶來的尾氣污染和噪聲污染?？紤]到掉頭機(jī)車啟停瞬時(shí)功率高（600~1000kW），但穩(wěn)定運(yùn)行功率低（40~100kW）的特點(diǎn)，該掉頭機(jī)車采用了燃料電池-蓄電池混合動(dòng)力系統(tǒng)，由2個(gè)300kW的燃料電池電堆與鉛酸電池搭配，瞬時(shí)輸出功率可達(dá)1MW。機(jī)車儲(chǔ)氫系統(tǒng)由14個(gè)35MPa碳纖維氫罐組成，加氫量70kg，有效使用量63.5kg。實(shí)際運(yùn)行條件下，燃料電池掉頭機(jī)車牽引重量200t~1800t，所需平均輸出功率約96kW，每小時(shí)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，且二者成本相近，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，燃料電池掉頭機(jī)車與柴油機(jī)車的燃料成本相當(dāng)。

BNSF鐵路公司對燃料電池掉頭機(jī)車的示范進(jìn)運(yùn)行表明，燃料電池掉頭機(jī)車的綜合性能和使用成本與內(nèi)燃機(jī)車接近，完全可以替代內(nèi)燃機(jī)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(jī)為動(dòng)力的貨運(yùn)卡車，已成為城市霧霾的重要來源之一。目前，以鋰離子電池為動(dòng)力的純電動(dòng)汽車已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了商業(yè)化應(yīng)用，但受制于儲(chǔ)能電池能量密度低的缺點(diǎn)，純電動(dòng)技術(shù)尚無法滿足貨運(yùn)卡車的長距離運(yùn)輸要求（純電動(dòng)貨運(yùn)卡車?yán)m(xù)航里程一般小于160km）。相比之下，燃料電池能量密度高，應(yīng)用于貨運(yùn)卡車具有獨(dú)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14969kg）用于洛杉磯市區(qū)和長灘港之間的物流運(yùn)輸。該燃料電池卡車采用65kW燃料電池-130kWh鋰離子電池混合動(dòng)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?？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(dòng)電機(jī)輸出動(dòng)力；卡車下坡或剎車時(shí)，電機(jī)向鋰離子電池充電，回收部分機(jī)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%，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(dòng)8級卡車，包括I型長途運(yùn)輸和II型短途運(yùn)輸兩種型號，均采用320kWh鋰離子電池提供動(dòng)力，搭載200kW燃料電池向鋰離子電池持續(xù)充電，續(xù)航里程可達(dá)1200~1900km。該卡車由六輪驅(qū)動(dòng)，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(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)，Nikola卡車的電動(dòng)系統(tǒng)重量更輕、能量效率更高，因而動(dòng)力性能顯著提高；與此同時(shí)，輕量化的動(dòng)力系統(tǒng)有利于Nikola卡車搭配足夠的儲(chǔ)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。

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(lǐng)域具有巨大的應(yīng)用潛力。以燃料電池為動(dòng)力的礦山車、卡軌車、掉頭機(jī)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(jī)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(guān)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(shí)，燃料電池混合動(dòng)力技術(shù)和增程技術(shù)的應(yīng)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(diǎn)，拓寬了燃料電池在長距離、大載量貨物運(yùn)輸?shù)忍厥鈭龊系膽?yīng)用，成為替代柴油機(jī)應(yīng)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(lǐng)域已經(jīng)具備了規(guī)?；瘧?yīng)用的條件。