燃料電池系列科普報告----儲運

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，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，將會為大家介紹氫氣制成后的儲運問題，其中包括管道運輸與專用車輛運輸兩個部分，并介紹我國加氫站的發(fā)展狀況。

思考的問題:

重要結(jié)論

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

1、氫氣的主要儲存及運輸方式

氫氣運輸一直是阻擋氫燃料運用的一個重大障礙。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現(xiàn)，作為汽車燃料的氫氣需要進行貯運。氫的貯運方式主要有氣態(tài)貯運、液態(tài)貯運和金屬氫化物貯運。其中前三者是傳統(tǒng)的儲氫方法，各具有其優(yōu)缺點。目前加氫站普遍采用的是利用長管拖車貯運高壓氣態(tài)氫氣。

不同的儲運方式，運輸成本與成本又有所不同。如氣氫拖車是未來一段時間內(nèi)的主要運輸方式。以200Km運輸距離和每天10噸的運輸規(guī)模來看，成本可達到2.02元/Kg;管道運輸運營成本低，運輸規(guī)模龐大，但投資成本高，且只能點對點，難以成為主流;液氫罐車是未來的重要方向，運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、氫氣儲運-管道運輸

2.1管道運輸概況分析

雖然管道運輸只能做到點對點，但對于大量、長距離的氫氣輸送來說，管道運輸仍然是最有效的方法。氫氣的長距離管道輸送已有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,其中德國擁有208公里，法國空氣液化公司在比利時、法國、新西蘭擁有880公里，美國也已達到720公里。

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

實際上，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智中的含碳量，盡量使用含碳量低的材料制成的管道來運輸氫氣，減少因氫脆現(xiàn)象而導致的氫氣逃逸。

2.2管道運輸成本分析

分別對加氫站數(shù)量為1個、4個、8個、16個共四種情況計算氫氣運輸成本。假設(shè)加氫站距離氫源點的距離一定，經(jīng)過試驗?zāi)M可知，氫氣的運輸成本隨著每個加氫站規(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輸成本基本維持不變。根據(jù)結(jié)果可知，當加氫站規(guī)模達到1500Kg/d時，氫氣的運輸成本大約為6元/Kg。

3、氫氣儲運-魚雷車

在所有元素中，氫的重量最輕，標準狀態(tài)下，它的密度為0.0899g/L，氣態(tài)壓縮高壓儲氫是最普通最直接的儲氫方式，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間內(nèi)的主要運輸方式。以200Km運輸距離和每天10噸的運輸規(guī)模來看，成本可達到2.02元/Kg;大部分成本來自于壓縮/液化設(shè)備、存儲設(shè)備的投資，對于氫氣的短途運輸，是一個非常不錯的選擇。

按照同樣的成本分析方法，經(jīng)過分析，當加氫站數(shù)量少時，運輸成本可高達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，成本在下降過程中出現(xiàn)波動。這與長管拖車利用效率有關(guān)。

4、氫氣儲運基礎(chǔ)設(shè)施-加氫站的建設(shè)

加氫站的建設(shè)不僅與氫氣儲運緊密相關(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，我國現(xiàn)有加氫站數(shù)量稀少，且沒有長期規(guī)劃。據(jù)介紹，國內(nèi)加氫站僅有4個，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，存儲壓力為43.8MPa，存儲容量為800公斤。截至2015年6月，安亭加氫站累計加注6013次，加注總量為10216公斤。

雖然我國目前尚未制定加氫站建設(shè)規(guī)劃，隨著世界各國都啟動了加氫站建設(shè)，可以預(yù)測我國在補貼燃料電池汽車的同時也將進行積極的加氫站布局。

在燃料電池汽車遠遠未普及的當下，國務(wù)院已經(jīng)為加氫站的設(shè)計建造和氫氣的運輸存儲都制訂了嚴格的標準，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)

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

燃料電池系統(tǒng)

我國燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運也是需要重點攻克的難題，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、儲運問題。在本文中，將會為大家介紹燃料電池系統(tǒng)的問題，包括其組成、發(fā)展狀況以及目前主流的燃料電池系統(tǒng)的簡介。

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，關(guān)鍵技術(shù)包括水熱管理技術(shù)、低溫冷起動、系統(tǒng)的控制技術(shù)等。目前在國際上，包括日本、美國、德國，燃料電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個階段，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。國內(nèi)企業(yè)主要依賴國外公司的現(xiàn)有技術(shù)并進行深入研究，主要公司有大連新源動力和大洋電機兩家公司。

1、燃料電池系統(tǒng)簡介

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、空氣壓縮機組成。每一個系統(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)，同時在燃料電池控制單元的控制下，實現(xiàn)燃料電池的正常運行，共同構(gòu)成了燃料電池系統(tǒng)。用作車輛動力源的燃料電池系統(tǒng)，稱為燃料電池發(fā)動機。燃料電池堆是燃料電池發(fā)動機的核心，BOP維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全地運行。燃料電池發(fā)動機輔助系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機、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)動機的典型結(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之間具有電傳導性的一層加壓薄層，也是電化學反應(yīng)發(fā)生的地方。PEM是陰極催化層和陽極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導的介質(zhì)，PEM的性能直接影響整個電堆的性能。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：動態(tài)工況、起動、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。其中空壓機控制箱接收燃料電池控制模塊發(fā)送的控制信號，同時把反饋信號(如空壓機的轉(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，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，當電壓過低時向燃料電池控制模塊發(fā)送警告信號。通過輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的綜合作用實現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)高效運行，實現(xiàn)能量的最有利用。

2、國內(nèi)燃料電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機電控相同的地方是，目前國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)進程;商用車方面，主要采用配套采購方式，巴拉德是國際燃料電池系統(tǒng)龍頭，同時也為國內(nèi)的燃料電池公共汽車提供動力系統(tǒng)。

大連新源動力(南都電源參股)：

新源動力作為國內(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)相對完善、規(guī)?；?yīng)提升使成本逐漸降低后，國內(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。

公司認為燃料電池系統(tǒng)的核心競爭力來源于設(shè)計，不論是極板材料的選擇、流道的設(shè)計，還是層級結(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領(lǐng)域，功率從5KW-120KW，產(chǎn)品類型齊全。

大洋電機：

大洋電機的燃料電池技術(shù)來源于加拿大巴拉德動力系統(tǒng)公司，巴拉德動力系統(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。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)域具有明顯的競爭優(yōu)勢，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、240萬個膜電極組件和3000個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個燃料電池產(chǎn)品和超過1000小時的咨詢服務(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)化進程。大洋電機利用巴拉德成熟的燃料電池系統(tǒng)技術(shù)及自身在電機及混合動力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢，與車企進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)獲得了較大進展。目前，大洋電機正在建設(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、東風特汽等。

3、總結(jié)

本篇科普，我們詳細介紹了燃料電池堆的結(jié)構(gòu)，及國內(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)動系統(tǒng)形成混合動力系統(tǒng)。下一篇科普報告中，我們將詳細介紹混合動力系統(tǒng)的工作原理。