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日本氢能与燃料电池产业现状及对我国的启示

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现阶段氢燃料电池汽车的推广受到加氢站等基础设施建设的限制,日产公司在2016年对外公布了其搭载5kW SOFC动力系统的燃料电池汽车“e-NV200”,在巴西完成了第一阶段的路面测试。该套系统使用乙醇作为燃料,续航里程达到600公里,几乎可与汽油车媲美,日产计划在2020年左右实现该车的量产。图2中展示了世界上三款代表性新能源汽车车型的具体参数比较。相比于PEFC,SOFC的优点之一就是燃料适应性广,除了氢气之外,SOFC可以直接使用天然气、煤气等碳基气体燃料,以及甲醇、乙醇等液体燃料。将SOFC技术应用于新能源汽车领域,能够克服氢燃料电池汽车对于加氢站建设和锂离子电池电动车对充电桩建设的硬性需求,实现燃料电池与蓄电池的优势互补,将是未来新能源汽车的重要发展方向(见图2)。

 

(一)SOFC能够克服氢燃料电池汽车对于加氢站建设的硬性需求

和质子交换膜燃料电池相比,固体氧化物燃料电池工作温度高,不使用铂等贵金属催化剂,因此不存在一氧化碳毒化的问题,可以直接使用天然气、煤气等含碳燃料。对于柴油、汽油、乙醇等液体碳氢燃料,只需在电池堆前添加重整器,将液体燃料重整后即可供给SOFC使用。同时,SOFC电堆发电副产的热量可以用于重整器,无须外部热源,能够实现发电系统的高效自维持运行(见图3)。

发展使用液体碳氢燃料的SOFC汽车是新能源汽车的重大突破口,有助于我国实现在燃料电池汽车领域对国际顶尖水平的弯道超越。2016年6月,日产公司发布了“e-Bio Fuel-Cell”原型车(e-NV200),该车是世界上首款采用SOFC技术的车型,配备了输出功率为5kW的SOFC系统和容量为24kWh的锂电池组,使用生物乙醇作为燃料,30升油箱,续航里程达600公里以上。2017年6月,该车在巴西完成了第一阶段的路面测试,“表明该技术完美适应日常使用”,采用乙醇燃料是因为“巴西现在就有全面的供应乙醇的基础设施”。从技术角度而言,采用汽油、柴油等液体燃料都是可行的。图3中展示了该款车型的外观及内部基本原理。

 

与氢燃料电池汽车相比,SOFC汽车没有对加氢站的硬性需求,能够从核心上解决燃料电池汽车推广成本高的问题。2018年4月美国洛克希德马丁公司推出最新型号的无人机(Stalker XE“潜行者”),采用丙烷燃料(1.1kg),配备245W的SOFC发电系统,空中飞行时间过8小时。这些都充分说明了采用SOFC作为动力系统的可行性和优势。

(二)SOFC增程式电动汽车可以实现燃料电池与蓄电池的优势互补

固体氧化物燃料电池增程式电动汽车是指在纯电动汽车的基础上增加一套SOFC发电系统,可以实现燃料电池与蓄电池的优势互补。动力电池的突出优势是能够快速响应负荷变化,但是能量密度和功率密度较小。而SOFC的突出优势则是高效、稳定、大功率密度的输出特性,但是频繁启停和冷热循环是其最大的技术壁垒之一。当蓄电池电量充足时,SOFC发电系统处于待机或关闭状态;当蓄电池电量不足或输出功率不能满足需求时,SOFC发电系统开始工作,为蓄电池充电或直接驱动车辆。SOFC增程式电动汽车能够有效解决纯电动汽车行驶路程短、续航能力不足的问题,将是未来新能源汽车的发展方向。

日产公司首推的“e-Bio Fuel-Cell”原型车采用的就是英国Ceres Power公司的SOFC系统。2018年5月,我国潍柴动力与英国Ceres Power公司签署战略合作协议,将在SOFC动力系统领域展开全面合作。根据协议内容,Ceres Power将在中国市场独家授权潍柴动力产销其SOFC发电系统、电堆和单电池,应用范围包括客车、卡车和分布式发电市场。此外,潍柴动力将与Ceres Power联合开发以压缩天然气为燃料的30kW SOFC发电系统,计划用于电动客车的增程系统,预计2019年上半年完成验证。这无疑将会带来国际SOFC市场的重大变化,标志着SOFC增程式电动汽车走向实际应用的又一开端。

(三)关于开展我国燃料电池汽车自主研发工作的思考

目前我国在新能源汽车研发领域,已经基本确立了以纯电驱动技术为主、带动插电式混合动力汽车和燃料电池汽车的发展策略。当前插电式混合动力汽车、纯电动汽车、燃料电池汽车等各种车型争奇斗艳,却都存在着各自的技术难题。纯电动汽车续航里程较短,需要大量建设充电桩,动力电池的回收问题也亟待解决;而氢燃料电池汽车的推广则严重依赖于加氢站的建设,又涉及氢气制

标签: 氢能 燃料电池

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