燃料电池汽车

燃料电池车辆(fuel cell vehicle FCV)或燃料电池电动车辆(fuel cell electric vehicle FCEV)是一种电动车辆,其使用燃料电池代替电池,或者与电池或超级电容器组合,以为其车载电动机提供动力。 车辆中的燃料电池产生电力以为电动机提供动力,通常使用来自空气的氧气和压缩的氢气。 大多数燃料电池汽车被归类为仅排放水和热量的零排放汽车。 与内燃机车相比,氢气车辆在氢气生产现场集中污染物,其中氢气通常来自重整天然气。 运输和储存氢气也可能产生污染物。

燃料电池已经用于各种车辆,包括叉车,特别是在其清洁排放对空气质量很重要的室内应用中,以及在空间应用中。 第一款商用氢燃料电池汽车丰田Mirai于2015年推出,此后现代和本田进入市场。 燃料电池也正在卡车,公共汽车,船只,摩托车和自行车以及其他类型的车辆中开发和测试。

截至2017年,氢气基础设施有限,美国公开提供36个汽车加氢站,但计划建设更多氢气站,特别是在加利福尼亚州。 一些公共加氢站存在,并且正在计划在日本,欧洲和其他地方建立新的加油站。 批评者怀疑,与其他零排放技术相比,氢气是否对汽车有效或具有成本效益。

车辆燃料电池的描述和目的
所有燃料电池由三部分组成:电解质,阳极和阴极。 原则上,氢燃料电池的功能类似于电池,产生电能,可以运行电动机。 然而,不是要求再充电,而是可以用氢气重新填充燃料电池。 不同类型的燃料电池包括聚合物电解质膜(PEM)燃料电池,直接甲醇燃料电池,磷酸燃料电池,熔融碳酸盐燃料电池,固体氧化物燃料电池,重整甲醇燃料电池和再生燃料电池。

历史
燃料电池的概念首先由Humphry Davy在1801年展示,但第一个工作燃料电池的发明归功于化学家,律师和物理学家William Grove。 格罗夫用他所谓的“气体电池”实验证明,1842年,氢气和氧气之间的电化学反应可以通过铂催化剂产生电流。 第一辆现代燃料电池汽车是1959年左右改装的Allis-Chalmers农用拖拉机,装有一个15千瓦的燃料电池。冷战太空竞赛推动了燃料电池技术的进一步发展。 双子座项目测试了燃料电池在载人航天任务期间提供电力。 随着阿波罗计划,燃料电池的发展仍在继续。 Apollo胶囊和月球模块中的电力系统使用碱性燃料电池。 1966年,通用汽车开发出第一款燃料电池公路车辆雪佛兰Electrovan。 它有一个PEM燃料电池,行驶里程为120英里,最高时速为70英里/小时。 只有两个座位,因为燃料电池堆和大型氢气和氧气罐占据了货车的后部。 只有一个被建成,因为该项目被认为成本过高。

通用电气和其他公司在20世纪70年代继续研究PEM燃料电池。 20世纪80年代,燃料电池堆仍然主要限于太空应用,包括航天飞机。 然而,关闭阿波罗计划已将许多行业专家派往私营公司。 到20世纪90年代,汽车制造商对燃料电池的应用感兴趣,并准备了示范车辆。 2001年,首次展示了700巴(10000 PSI)氢气罐,减少了可用于车辆的油箱尺寸并扩大了范围。

应用
有适用于所有运输方式的燃料电池车。 最普遍的燃料电池车辆是汽车,公共汽车,叉车和物料搬运车辆。

汽车
本田FCX Clarity概念车于2008年推出,用于日本和南加州的客户租赁,并于2015年停产。从2008年到2014年,本田在美国共租赁了45辆FCX。 在那个时期发布了20多个其他FCEV原型车和示范车,包括GM HydroGen4和梅赛德斯 – 奔驰F-Cell。

现代ix35 FCEV燃料电池汽车自2014年起可供租赁,租赁54个单位。

丰田Mirai向政府和企业客户的销售于2014年12月在日本开始。税前税价为6,700,000日元(约合57,400美元),政府奖励为2,000,000日元(约合19,600美元)。 前欧洲议会主席帕特考克斯估计,丰田最初每卖出一辆Mirai就会损失大约10万美元。 截至2017年12月,全球销售总量为5,300 Mirais。 最畅销的市场是美国,有2,900个单位,日本有2,100个,欧洲有200个。

2017款Honda Clarity燃料电池的零售交付于2016年12月在加利福尼亚州开始实施。清晰燃料电池的射程为366英里(589公里),是美国任何零排放汽车的最高EPA驾驶范围等级,包括燃料电池和电池电动车。 2017年Clarity在所有由EPA评定的氢燃料电池汽车中具有最高的综合和城市燃油经济性评级,城市/公路等级为每加仑汽油当量(MPGe)67英里,城市驾驶时为68 MPGe。

2017年,戴姆勒逐步退出FCEV发展,理由是电池成本下降,电动汽车范围不断扩大,大多数开发氢动力汽车的汽车公司已将注意力转向电池电动汽车。

燃油经济性
下表比较了EPA的燃油经济性,以美国环保署于2016年12月评定的氢燃料电池汽车每加仑汽油当量(MPGe)表示,并且仅在加利福尼亚州提供。

燃料电池由乙醇重整器提供动力
2016年6月,日产宣布计划开发由乙醇而非氢气驱动的燃料电池汽车。 日产声称这种技术方法会更便宜,并且部署加油基础设施比氢基础设施更容易。 该车辆将包括容纳水和乙醇混合物的罐,该罐被送入车载重整器,该重整器将其分成氢气和二氧化碳。 然后将氢气加入固体氧化物燃料电池中。 根据日产的说法,液体燃料可以是55:45比例的乙醇 – 水混合物。 日产预计到2020年将其技术商业化。

公共汽车
还有公交车的演示模型,2011年全球部署了100多辆燃料电池公交车。 这些公交车大部分由UTC Power,Toyota,Ballard,Hydrogenics和Proton Motor生产。 UTC公交车累计行驶超过970,000公里(600,000英里)。 燃料电池公共汽车的燃油经济性比柴油公共汽车和天然气公共汽车高30-141%。 燃料电池公共汽车已部署在加拿大惠斯勒,美国旧金山,德国汉堡,中国上海,英国伦敦,巴西圣保罗和其他几个城市。 惠斯勒项目于2015年停产。燃料电池巴士俱乐部是试验燃料电池公共汽车的全球合作项目。 值得注意的项目包括:

12燃料电池公共汽车部署在加利福尼亚州的奥克兰和旧金山湾区。
戴姆勒股份公司拥有由巴拉德动力系统燃料电池提供动力的36辆实验总线,于2007年在11个城市完成了为期3年的成功试验。
由SunLine Transit Agency运营的加利福尼亚州部署了一支配备UTC Power燃料电池的Thor公交车队。
巴西的第一个氢燃料电池公共汽车原型部署在圣保罗。 该公共汽车在南卡希亚斯(Caxias do Sul)生产,氢燃料将在SãoBernardodo Campo从水中通过电解生产。 该计划名为“ÔnibusBrasileiroaHidrogênio”(巴西氢气公共汽车),包括三辆公共汽车。

叉车
燃料电池叉车(也称为燃料电池叉车或燃料电池叉车)是用于提升和运输材料的燃料电池驱动的工业叉车。 叉车中使用的大多数燃料电池由PEM燃料电池供电。

2013年,美国有超过4,000台燃料电池叉车用于物料搬运,其中只有500辆从DOE(2012)获得资金。 燃料电池车队由许多公司运营,包括Sysco Foods,FedEx Freight,GENCO(Wegmans,Coca-Cola,Kimberly Clark和Whole Foods)以及HEB Grocers。 欧洲展示了30台采用Hylift的燃料电池叉车,并将其与HyLIFT-EUROPE一起扩展至200台,其他项目则在法国和奥地利。 派克研究公司在2011年表示,燃料电池动力叉车将成为2020年氢燃料需求的最大推动力。

PEM燃料电池动力叉车与石油动力叉车相比具有明显的优势,因为它们不会产生局部排放。 燃料电池叉车可在一个氢气罐上工作8小时,可在3分钟内加油,使用寿命为8 – 10年。 燃料电池驱动的叉车通常用于冷藏仓库,因为它们的性能不会因较低的温度而降低。 在设计中,FC单元通常作为直接替换。

摩托车和自行车
2005年,英国智能能源公司生产出第一台名为ENV(排放中性车)的氢气摩托车。 摩托车拥有足够的燃料运行四个小时,并在城市地区行驶160公里(100英里),最高时速为80公里/小时(50英里/小时)。 2004年,本田开发了一款采用本田FC Stack的燃料电池摩托车。 还有其他带有氢燃料电池发动机的自行车和自行车的例子。 铃木Burgman在欧盟获得“整车型”批准。 台湾公司APFCT使用意大利Acta SpA的加油系统,为台湾能源局用80台燃料电池踏板车进行了现场街道测试。

飞机
整个欧洲的波音研究人员和行业合作伙伴于2008年2月对一架仅由燃料电池和轻型电池供电的载人飞机进行了实验飞行试验。 燃料电池演示器飞机,被称为,使用质子交换膜(PEM)燃料电池/锂离子电池混合系统为电动机提供动力,电动机与传统螺旋桨相连。 2003年,世界上第一架完全由燃料电池供电的螺旋桨驱动飞机飞行。 燃料电池是独特的FlatStack堆栈设计,允许燃料电池与飞机的空气动力学表面集成。

已经有几种燃料电池驱动的无人机(UAV)。 Horizo​​n燃料电池无人机设定了2007年小型无人机的记录距离流量。军方对此应用特别感兴趣,因为它具有低噪音,低热特征和高海拔能力。 2009年,海军研究实验室(NRL)的Ion Tiger使用氢动力燃料电池,飞行了23小时17分钟。 波音公司正在完成Phantom Eye的测试,这是一种高空长航时(HALE),用于在20,000米(65,000英尺)的距离内进行研究和监视,每次飞行长达4天。 燃料电池也被用于为飞机提供辅助动力,取代以前用于启动发动机和电力需求的化石燃料发电机。 燃料电池可以帮助飞机减少二氧化碳和其他污染物的排放和噪音。


世界上第一台燃料电池船HYDRA使用的净输出功率为6.5 kW的AFC系统。 对于每升消耗的燃料,平均舷外发动机产生的碳氢化合物产生的碳排放量是普通现代汽车产生的140倍。 燃料电池发动机比内燃机具有更高的能量效率,因此提供更好的范围并显着减少排放。 冰岛承诺将其庞大的捕捞船队转变为使用燃料电池在2015年之前提供辅助电力,并最终为其船只提供主要电力。 阿姆斯特丹最近推出了第一艘以燃料电池为动力的船,可以将人们带到城市着名而美丽的运河周围。

潜艇
燃料电池的第一个潜水应用是德国212型潜艇。 每种类型212包含九个PEM燃料电池,遍布整个船舶,每个电力提供30 kW至50 kW。 这允许212型更长时间保持浸没并使其更难以检测。 与核动力潜艇相比,燃料电池动力潜艇也更容易设计,制造和维护。

火车
2015年3月,中国南方铁路公司(CSR)在青岛的一个装配厂展示了世界上第一台以氢燃料电池为动力的有轨电车。 CSR子公司CSR四方有限公司的总工程师梁建英表示,该公司正在研究如何降低有轨电车的运营成本。 在中国七个城市共建造了83英里的新车轨道。 中国计划在未来五年内投入2000亿元人民币(320亿美元),将电车轨道增加到1200多英里。

2016年,阿尔斯通推出了Coradia iLint,这是一种由氢燃料电池驱动的区域列车,将成为世界上第一个生产氢动力列车的列车。 Coradia iLint能够以每小时140公里(87英里/小时)的速度行驶,并在一整箱氢气上行驶600-800公里(370-500英里)。 第一台Coradia iLint预计将于2017年12月在德国下萨克森州的Buxtehude-Bremervörde-Bremerhaven-Cuxhaven生产线投入使用。

氢基础设施
Eberle和Rittmar von Helmolt在2010年表示,在燃料电池汽车与其他技术竞争之前仍存在挑战,并指出美国缺乏广泛的氢气基础设施:截至2017年7月,美国有36个可公开使用的加氢站。 ,其中32个位于加利福尼亚州。 2013年,州长杰里·布朗签署了AB 8,这项法案每年为2000万美元提供资金,为期10年,建立多达100个电台。 2014年,加州能源委员会资助了4660万美元建造了28个车站。

日本于2014年建成了第一个商用氢燃料站。到2016年3月,日本有80个加氢站,日本政府计划到2020年将这一数字翻一番,达到160个。2017年5月,日本有91个加氢站。 德国在2015年7月有18个公共加氢站。德国政府希望到2016年底将这一数字增加到50个,但2017年6月只有30个开放。

代码和标准
燃料电池汽车是FC氢分类和标准和燃料电池规范和标准的分类,其他主要标准是固定式燃料电池应用和便携式燃料电池应用。

美国节目
2003年,美国总统布什提出了氢燃料倡议(HFI)。 HFI旨在进一步开发氢燃料电池和基础设施技术,以加速燃料电池汽车的商业推广。 到2008年,美国已为该项目贡献了10亿美元。 2009年,当时的美国能源部长朱棣文断言氢燃料汽车“在未来10到20年内将不会实用”。 然而,2012年,Chu表示他认为燃料电池汽车在经济上更可行,因为天然气价格下跌,氢改造技术有所改善。 2013年6月,加州能源委员会拨款1870万美元用于加氢站。 2013年,州长布朗签署了AB 8,这项法案每年为多达100个电台提供10年的2000万美元资金。 2013年,美国能源部公布了高达400万美元的“先进氢存储系统的持续开发”计划。 2013年5月13日,能源部启动了H2USA,专注于推进美国的氢能基础设施建设。

成本
到2010年,燃料电池技术的进步减小了燃料电池电动汽车的尺寸,重量和成本。 2010年,美国能源部(DOE)估计,自2002年以来,汽车燃料电池的成本已经下降了80%,并且假设大量制造成本节省,这种燃料电池可能以51美元/ kW的价格制造。 燃料电池电动汽车的生产“加油之间的行驶里程超过250英里”。 他们可以在不到5分钟内加油。 部署的燃料电池公共汽车的燃油经济性比柴油公交车高40%。 EERE的燃料电池技术计划声称,截至2011年,燃料电池在全功率下实现了42%至53%的燃料电池电动汽车效率,耐久性超过75,000英里,电压降低不到10%,是2006年的两倍。 2012年,Lux Research,Inc。发布了一份报告,其结论是“到2030年,资本成本……将限制采用率仅为5.9吉瓦”,除了利基应用之外,“采用几乎无法克服的障碍”。 Lux的分析得出结论,到2030年,PEM固定式燃料电池应用将达到10亿美元,而包括燃料电池叉车在内的汽车市场将达到20亿美元。

对环境造成的影响
燃料电池车辆的环境影响取决于产生氢气的一次能量。 当用可再生能源生产氢气时,燃料电池车辆对环境无害。 如果是这种情况,燃料电池汽车比化石燃料汽车更清洁,更有效。 然而,它们不如消耗更少能量的电池电动车辆那样有效。 通常,燃料电池汽车消耗的能量是电池电动汽车的2.4倍,因为氢气的电解和储存比使用电力直接装载电池的效率低得多。

截至2009年,机动车使用美国消耗的大部分石油,产生了60%以上的一氧化碳排放量和约20%的温室气体排放量,但是用于汽油生产主管的氢气裂解产生氢气其工业用途中约有10%的车队温室气体排放量。 相比之下,以纯氢为燃料的汽车排放的污染物很少,主要产生水和热,尽管除非燃料电池中使用的氢仅使用可再生能源生产,否则氢的产生会产生污染物。

在2005年的Well-to-Wheels分析中,美国能源部估计使用天然气产生的氢气的燃料电池电动汽车将导致每英里内燃机车辆排放大约55%的二氧化碳,排放量比排放量减少约25%。混合动力汽车 2006年,Ulf Bossel表示,从天然化合物(水,天然气,生物质)中分离氢气,通过压缩或液化包装轻质气体,将能量载体转移给用户,以及在使用时损失的能量需要大量的能量。用燃料电池转换成有用的电力,实际使用时留下25%左右。“运输革命:移动人员和无油货运(2010)的合着者理查德吉尔伯特同样评论说,生产氢气最终会使用一些然后,通过将氢转化为燃料电池内的电能来吸收能量。“’这意味着只有最初可用能量的四分之一到达电动机’……转换中的这种损失’例如,从墙壁插座向日产Leaf或雪佛兰Volt充电等电动汽车(EV)充电。“2010年来自Argonne National Laborato的氢燃料电池汽车的车轮分析报告 他们表示,可再生的H2路径可以提供更大的温室气体效益。 这个结果最近得到了证实。 2010年,美国DOE Well-to-Wheels出版物假设在加油站将氢气压缩至6,250 psi(43.1 MPa)的单一步骤的效率为94%。 斯坦福大学和慕尼黑工业大学11月份发表在能源期刊上的一项研究表明,即使假设当地的氢生产,“投资全电动汽车是减少二氧化碳排放的更经济的选择,主要是因为它们的成本更低,能效更高。“

批评
2008年,电化学学会期刊Interface的Jeremy P. Meyers教授写道:“虽然燃料电池相对于内燃机是有效的,但它们不如电池有效,主要是因为氧气还原反应的效率低下……对于与电网断开连接的操作,或者可以连续提供燃料,它是最有意义的。对于需要频繁和相对快速启动的应用……需要零排放,如在仓库等封闭空间中,在氢气被认为是可接受的反应物的情况下,[PEM燃料电池]正变得越来越有吸引力[如果更换电池不方便]“。 然而,在生产量包括规模经济和完善的供应链之前,汽车燃料电池的实际成本仍然很高。 在此之前,成本比DOE目标高出约一个数量级。

同样在2008年,有线新闻报道称,“专家表示,在氢气对汽油消耗或全球变暖产生任何有意义的影响之前,它将持续40年或更长时间,我们不能等待那么久。与此同时,燃料电池正在转移来自更直接解决方案的资源。“ “经济学人”杂志在2008年引用能源胜利的作者罗伯特·祖布林的话说:“氢气是”最糟糕的汽车燃料“。 该杂志指出,大多数氢气是通过蒸汽重整产生的,每英里产生的碳排放至少与今天的一些汽油车一样多。 另一方面,如果可以使用可再生能源生产氢气,“仅使用这种能量为全电动或插电式混合动力汽车的电池充电肯定会更容易。” “洛杉矶时报”在2009年写道:“无论你如何看待它,氢气都是推动汽车行驶的糟糕方式。” 华盛顿邮报在2009年11月问道,“当你的电能已经等待从美国各地的插座中吸出并储存起来时,你想要以氢气的形式储存能量,然后利用氢气为电机发电在汽车电池……?“

Motley Fool在2013年表示,“对于运输,存储以及最重要的生产,仍然存在成本高昂的障碍[氢汽车]。” 大众汽车公司的鲁道夫·克雷布斯在2013年表示,“无论你自己制造汽车有多优秀,物理定律都会影响他们的整体效率。将能量转换为机动性的最有效方法是电力。” 他详细说明:“氢气流动只有在使用绿色能源时才有意义”,但是……你需要先将它转换成氢气,“效率低”,“你会损失约40%的初始能量”。 然后,您必须压缩氢气并将其储存在高压储罐中,储罐使用更多能量。 “然后你必须将氢转化为燃料电池中的电能,再次降低效率”。 克雷布斯继续说道:“最后,从最初的100%电能中,最终得到30%到40%。”

2014年,电动汽车和能源未来学家朱利安·考克斯发表了一份分析报告,该分析使用了美国政府的NREL和EPA数据,该数据反驳了广泛持有的关于在运输中使用氢气所声称的排放效益的政策假设。 Cox根据美国能源部长期NREL燃料电池汽车研究报告的测试对象计算出的实际单位氢燃料电池汽车和每个EPA联合循环驱动里程产生的排放量。 该报告提供的官方数据坚决驳斥营销人员声称氢燃料电池在等效传统汽油混合动力车的传动系统上的任何固有优势,甚至是由于天然气制氢产生的排放强度等同的传动系统性能的普通小型发动机汽车。 。 该报告继续证明氢气生产中持续使用甲烷的经济必然性,因为与普通电力的直接使用相比,氢燃料电池对可再生里程的成本绊倒效应是由于电力转换为氢气的转换损失。电动汽车。 该分析与参与推广氢燃料电池的汽车制造商的营销声明相矛盾,其声称经常反映在公共政策声明中。 分析证明,与氢燃料电池有关的公共政策被错误地等同于非常大,非常陈旧或非常高功率的汽油车辆,这些汽油车辆没有准确反映减排技术的选择,这些技术在较低的成本和预先存在的情况下很容易获得消费者可以选择的新车辆,以及在科学依据事实上是错误的前提下为纳税人提供资金的多余氢能基础设施。 相反,美国能源部的官方数据可以证明市场营销和因此对氢的公共政策要求具有高度误导性。 考克斯在2014年写道,从甲烷中生产氢气“每单位能源的碳密集程度明显高于煤炭。页岩水力压裂中的化石氢气错误导致环境可持续能源途径,这可能会鼓励能够淡化并可能破坏全球努力的能源政策由于转移投资的风险以及经济上与可再生能源相容的车辆技术的关注,以阻止气候变化。“ Business Insider在2013年发表评论:

纯氢可以在工业上得到,但它需要能量。 如果这种能源不是来自可再生能源,那么燃料电池汽车并不像看起来那么干净。 ……另一个挑战是缺乏基础设施。 在FCEV变得实用之前,加油站需要投资加氢储罐的能力,而且今天在路上客户太少的情况下,很可能不会有很多人这样做。 ……复杂的基础设施缺乏是该技术的高成本。 燃料电池“仍然非常非常昂贵”。

2014年,气候博主和前能源部官员Joseph Romm撰写了三篇关于氢气车辆批评的文章。 他表示,燃料电池汽车仍然没有克服以下问题:车辆成本高,燃料成本高,燃料输送基础设施不足。 “在未来几十年内,同时克服所有这些问题需要几个奇迹。” 此外,他说,“燃料电池汽车不是绿色的”,因为天然气开采过程中产生的甲烷和使用蒸汽重整过程产生氢气的比例为95%。 他的结论是,无论是现在还是将来,可再生能源都无法经济地用于制造燃料电池汽车的氢气。 GreenTech Media的分析师在2014年得出了类似的结论。2015年,Clean Technica列出了氢燃料电池汽车的一些缺点,Car Throttle也是如此。 另一位Clean Technica的作者得出结论:“虽然氢气可能在能量存储领域(特别是季节性储存)中发挥作用,但对于主流车辆来说,它似乎是一个死胡同。”

“绿色汽车报告”发表的2017年分析发现,最好的氢燃料电池汽车每英里消耗的电量是电动汽车的三倍以上……比其他动力总成技术产生更多的温室气体排放…… [并且]非常高的燃料成本……考虑到新基础设施的所有障碍和要求(估计耗资高达4,000亿美元),燃料电池汽车似乎充其量只是一种利基技术,对美国的石油消耗几乎没有影响。 2017年,迈克尔巴纳德在“福布斯”杂志上发表文章,列出了氢燃料电池汽车的持续劣势,并得出结论:“到2008年左右,很明显氢气已经并且不如电池技术作为车辆储存能源。 2025年最后一次出局可能会让他们退出燃料电池的梦想。