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，在特殊工程車輛領域推廣應用，有利于實現(xiàn)大氣污染物SO2、NOx、PM零排放，促進溫室氣體CO2減排。綜述了燃料電池為動力的礦山車、卡軌車、掉頭機車和貨運卡車的應用進展，分析了燃料電池工程車輛替代內燃機車的技術可行性以及由此帶來的環(huán)保效益，認為燃料電池工程車輛已經具備了規(guī)?；瘧玫臈l件。

我國社會經濟的快速發(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，支撐我國能源結構優(yōu)化調整，對于促進綠色可持續(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，它通過電化學反應將燃料的化學能直接轉化為電能，同時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域的應用越來越受到關注；尤其是在電動汽車領域，世界各國已投入大量資金進行燃料電池汽車的開發(fā)和示范應用。

然而，受制于造價較高和加氫設施不足等因素的影響，燃料電池汽車的推廣使用進程進展緩慢，尚無法與內燃機汽車展開競爭。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加氫設施的特殊工程車輛領域的應用受到重視，并有望率先進入實用化。迄今為止，燃料電池在礦山車、掉頭機車、貨運卡車和有軌電車等種類的工程車輛上已實現(xiàn)了示范應用，對大氣污染物的減排效果顯著，并表現(xiàn)出了一定的技術可靠性和經濟性，具有較好的市場化前景。

1燃料電池的技術特點

燃料電池的發(fā)電過程是與熱機過程截然不同的電化學反應過程（圖1）。燃料氫氣（H2）進入陽極發(fā)生氧化反應生成電子（e-）和氫離子（H+），電子經過外電路形成電流，與此同時，氫離子穿過質子交換膜電解質傳導至陰極，與鼓入空氣中的氧氣（O2）以及回路電子發(fā)生反應生成水（H2O）。

燃料電池與內燃機相比，能量轉化效率顯著提高，尤其在中低負荷運行條件下，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，燃料電池實現(xiàn)了SO2、NOx和PM的零排放，當采用天然氣重整氫氣做燃料時，CO2排放量削減約40%，當采用可再生能源電解水制得氫氣為燃料時，可實現(xiàn)CO2零排放（圖2b）。

燃料電池不僅具有清潔低碳和高效節(jié)能的技術優(yōu)點，還具有功率密度高和能量密度高的實用性特征。由于燃料電池系統(tǒng)采用薄膜組件和模塊化設計，功率密度可以與汽油或柴油發(fā)動機接近，達到650W/L或650W/kg，因而有潛力在多種應用領域替代內燃機。此外，燃料電池還具有啟動速度快、低噪聲、無振動等優(yōu)點，使用便捷性和舒適性也更好。

2燃料電池在特殊車輛領域的應用

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輸和裝卸的工程車，一般以柴油機為動力。礦山車在地下礦井或地面較封閉環(huán)境條件下作業(yè)時，柴油機連續(xù)產生的余熱和大氣污染物極易導致作業(yè)位置溫度升高、空氣質量下降，威脅到生產安全和人員健康，因此必須配套相應的通風設施促進作業(yè)位置熱量和空氣置換。對于大多數(shù)地下礦井，通風系統(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換效率高，同等輸出功率條件下，理論產熱量僅為柴油機礦山車的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礦山車進行井下作業(yè)，可以大幅減少所需的礦井通風量，有利于節(jié)省通風系統(tǒng)電耗，降低礦井運行成本。2003年，美國VehicleProjects公司聯(lián)合內華達州立大學對美國和加拿大近100個金屬、非金屬礦進行考察，并通過模擬計算分析了幾個典型的金礦、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車作業(yè)時，地下礦井所需的通風量普遍可削減10%~30%，相應的電耗下降10%以上。以美國內華達州TurquoiseRidge金礦為例，其井下作業(yè)的柴油機礦山車總功率約6800kW，若替換為燃料電池礦山車，所需井下通風量由526.5m3/s降低至230m3/s，通風排氣管徑由6.1m縮小至4.2m，通風系統(tǒng)年用電成本下降約150萬美元，通風設施建設投資也減少了約350萬美。

2005年，VehicleProjects公司開發(fā)了一臺燃料電池裝載機，在美國內華達州TurquoiseRidge金礦和加拿大LaRonde金礦的地下礦井進行了總計1000小時的示范運行。該裝載機采用CaterpillarR1300型礦山裝載機的架構，通過87kW燃料電池和65kW鎳氫儲能電池組成混合動力系統(tǒng)（圖3），瞬時最大輸出功率超過140kW，綜合動力性能與柴油機礦山車接近。由于井下作業(yè)時需嚴格限制氫氣泄漏以保證生產安全，該燃料電池裝載機選用了可拆卸的氫化物儲氫系統(tǒng)，安裝在動力系統(tǒng)兩側，其儲氫壓力低，儲氫總量14kg，可滿足至少6h不間斷作業(yè)（柴油裝載機約8h），在裝載機工作間歇時，儲氫系統(tǒng)可送至礦井外再次加氫。

2012年，VehicleProjects公司與南非AngloAmericanPlatinum公司合作，設計開發(fā)了一款超小型遠程控制燃料電池推土機，用于替代常規(guī)的蓄電池推土機，在Bathopele鉑金礦進行示范應用。安裝9kW電堆和2MPa氫化物儲氫罐，該燃料電池推土機可連續(xù)運行8h，續(xù)航能力超過蓄電池推土機（約6h）。使用過程中，燃料電池推土機單次加氫時間約40min，比蓄電池推土機（充電時間大于8h）更加快捷。

2.2卡軌車

卡軌車是煤礦重要的輔助運輸設備，依據動力種類，主要包括鋼絲繩牽引卡軌車、防爆柴油機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，防爆柴油機卡軌車能夠更加靈活的操作和運行，但產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、短時間使用，且充電時間長，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、加氫時間短，因而更加靈活、經濟、環(huán)保，具有很好的應用潛力。

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行。該卡軌車動力系統(tǒng)采用Ballard公司生產的FCveloCity-9SSLV4型燃料電池電堆，額定輸出功率17kW，配套鋰離子儲能電池組成混合動力，瞬時輸出功率最高可達45kW。該卡軌車儲氫系統(tǒng)采用氫化物介質，儲氫量3.5kg，理論儲能50kWh。卡軌車加氫時，采用水冷或空冷將儲氫介質維持在室溫，管網提供的2MPa氫氣進入儲氫介質形成氫化物，耗時約20~30min；儲氫系統(tǒng)加氫完成后，利用燃料電池的循環(huán)熱水將儲氫介質加熱至60~70℃，此時氫化物分解放出壓力為1~1.5MPa的氫氣，供燃料電池使用?？ㄜ壾囌麄€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-鋰離子電池混合動力系統(tǒng)總體積僅為0.5m3，外加儲氫系統(tǒng)體積0.3m3，可以緊湊集成在1m3空間內，無需改變卡軌車原有構架（圖4）。示范運行表明，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50%，有利于節(jié)省燃料。

2.3掉頭機車

掉頭機車一般以柴油機為動力，使用過程中排放較多的NOx、SO2、PM大氣污染物。燃料電池掉頭機車不排放任何大氣污染物，并且無噪聲，有利于實現(xiàn)清潔環(huán)保。

2010年，BNSF鐵路公司在美國洛杉磯示范運行了一輛自重130t的燃料電池掉頭機車，用于減少市郊內燃機車帶來的尾氣污染和噪聲污染。考慮到掉頭機車啟停瞬時功率高（600~1000kW），但穩(wěn)定運行功率低（40~100kW）的特點，該掉頭機車采用了燃料電池-蓄電池混合動力系統(tǒng)，由2個300kW的燃料電池電堆與鉛酸電池搭配，瞬時輸出功率可達1MW。機車儲氫系統(tǒng)由14個35MPa碳纖維氫罐組成，加氫量70kg，有效使用量63.5kg。實際運行條件下，燃料電池掉頭機車牽引重量200t~1800t，所需平均輸出功率約96kW，每小時耗氫量約5.73kg，一次加氫后可供使用約11h，能量效率達到41%~49%。由于1kg氫的熱值相當于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施建設成本的情況下，燃料電池掉頭機車與柴油機車的燃料成本相當。

BNSF鐵路公司對燃料電池掉頭機車的示范進運行表明，燃料電池掉頭機車的綜合性能和使用成本與內燃機車接近，完全可以替代內燃機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%，以柴油機為動力的貨運卡車，已成為城市霧霾的重要來源之一。目前，以鋰離子電池為動力的純電動汽車已經實現(xiàn)了商業(yè)化應用，但受制于儲能電池能量密度低的缺點，純電動技術尚無法滿足貨運卡車的長距離運輸要求（純電動貨運卡車續(xù)航里程一般小于160km）。相比之下，燃料電池能量密度高，應用于貨運卡車具有獨特優(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輸。該燃料電池卡車采用65kW燃料電池-130kWh鋰離子電池混合動力系統(tǒng)，牽引重量15t，一次加氫量20kg（35MPa），續(xù)航里程可達320km。卡車行駛過程中，燃料電池向鋰離子電池持續(xù)充電，鋰離子電池帶動電機輸出動力；卡車下坡或剎車時，電機向鋰離子電池充電，回收部分機械能，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8級卡車，包括I型長途運輸和II型短途運輸兩種型號，均采用320kWh鋰離子電池提供動力，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1200~1900km。該卡車由六輪驅動，總輸出功率可達1440kW，最大扭矩2670Nm，牽引重量可達36t。相比于柴油卡車的機械傳動系統(tǒng)，Nikola卡車的電動系統(tǒng)重量更輕、能量效率更高，因而動力性能顯著提高；與此同時，輕量化的動力系統(tǒng)有利于Nikola卡車搭配足夠的儲氫量，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，在特殊工程車輛領域具有巨大的應用潛力。以燃料電池為動力的礦山車、卡軌車、掉頭機車作業(yè)位置相對固定，無需大量建設加氫設施即可滿足燃料供應，有利于降低基礎設施投資成本。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的更新，以及相關產業(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，燃料電池混合動力技術和增程技術的應用，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，拓寬了燃料電池在長距離、大載量貨物運輸?shù)忍厥鈭龊系膽茫蔀樘娲裼蜋C應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域已經具備了規(guī)?；瘧玫臈l件。