离重卡氢燃料电池技术商业化还有多远?橡树岭实验室正在加速这一进程

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橡树岭国家实验室的科学家们正在运用他们的专业知识提供解决方案,使重型车辆(或HDV)的无排放氢燃料电池技术实现商业化。作为以汽油为动力的内燃机的一个可行的替代品,氢燃料电池可以提供可持续的清洁能源,并具有相当的用户体验。


"ORNL的David Cullen说:"在HDV市场上采用氢气技术可能被证明是启动广泛使用的突破口,氢燃料电池是卡车运输业的理想选择,因为加油时间和行驶范围与汽油动力卡车相当,而且行驶路线是可预测的,这降低了开发加油基础设施的障碍。"

离重卡氢燃料电池技术商业化还有多远?橡树岭实验室正在加速这一进程

氢燃料电池比锂电池或柴油燃料含有更多的单位质量的能量。一辆卡车可以在不大幅增加重量的情况下拥有更多的可用能量--这对于有超重限制的长途卡车来说是一个重要的考虑因素。


2020年10月,美国能源部氢能和燃料电池技术办公室(HFTO)启动了百万英里燃料电池卡车联盟(M2FCT),以支持通过研究和开发在HDV市场采用燃料电池的机会,并与能源部的H2@Scale愿景保持一致,在经济的多个部门使用清洁和可负担的氢气。M2FCT由五个国家实验室组成,正在努力满足卡车行业的效率、耐久性和成本要求。利用HFTO在五年内提供的5000万美元的资金,该团队已经设定了2030年的目标,即开发出具有25000小时,或100万英里使用寿命的长途卡车系统。


劳伦斯伯克利国家实验室的科学家Ahmet Kusoglu说:"重型车辆过渡到氢燃料电池系统将对减少温室气体排放产生重大影响。”Kusoglu指出,重型车辆只占美国车队的一小部分,并且只占每年车辆行驶总里程的10%。但是,根据环境保护局的数据,它们造成了23%的交通温室气体排放,并占美国每年消耗的燃料的近四分之一。

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M2FCT团队在最近的一篇《自然-能源》评论文章中概述了该技术的现状和未来,并解决了重型车辆行业广泛采用的挑战,包括卡车、公共汽车、火车和海洋应用。M2FCT的协调官Cullen是该论文的第一作者;共同作者包括ORNL的Karren More和来自劳伦斯伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、国家可再生能源实验室和阿贡国家实验室的M2FCT成员科学家。


Cullen说:"这个联盟有四个支柱:材料开发、组件集成、组件和燃料电池耐久性以及系统分析。但它们相互融合,相互支持。ORNL正在通过我们的表征工作跨越所有这些领域。"


指导ORNL的纳米相材料科学中心(DOE科学办公室的一个用户设施)的More说,ORNL将应用其在燃料电池材料和部件的微观结构和微观化学分析方面的独特能力和专业知识,以更好地理解燃料电池的性能和耐用性问题,从宏观到原子水平。


她说:"我们继续开发新的表征方法和数据分析,以提供对重型应用中使用的燃料电池材料的行为的洞察力。ORNL提供了创新的手段来审视材料的结构、化学和特性,这样就可以理解和解决性能和耐久性问题,以便开发出具有优化特性的新材料。"


ORNL还提供了卷对卷的制造技术,这将与NREL密切协调,以确定如何扩大膜电极组件的制造工艺。Cullen说,该团队将专注于开发新的电极结构,这些结构可以通过卷对卷工艺而不是传统的喷涂或墨水沉积工艺实现。


M2FCT代表了燃料电池性能和耐久性(或FC-PAD)联盟结束后的方向转变,该联盟专注于轻型车辆的燃料电池。

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2019年底,DOE的HFTO与车辆技术办公室合作,发布了氢燃料长途牵引卡车(也称为8级长途卡车)的技术目标。这些目标启动了M2FCT研究人员目前正在进行的工作,指导早期的研发。M2FCT最近发布的研究报告以8级长途卡车为案例,说明不同的设计特点如何影响效率和耐久性,以及如何利用为轻型车辆取得的进展来满足重型车辆的要求。


氢燃料电池通过氢和氧之间的电化学反应产生电力,结合起来产生电力、热量和水。一个燃料电池可以产生大约300瓦的电力;为了产生足够的电力来驱动汽车的电动马达,燃料电池需要组合成一个燃料电池堆。


为了达到美国能源部对氢燃料长途牵引卡车的目标,M2FCT的研究人员已经确定了为轻型车辆和重型车辆设计氢燃料电池之间的关键差异。根据ANL化学家Deborah Myers的说法,面临的挑战是,与轻型车辆相比,重型车辆需要更高的电池电压以达到最佳效率,此外还需要三到五倍的使用寿命,这对燃料电池材料的性能和耐久性提出了更高的要求。


这方面的解决方案包括探索现有燃料电池组件材料在不同的温度和湿度水平以及更高的电池电压下如何运行和降解的材料研究,以及研究新材料的整合如何能够应对这些挑战的开发。


M2FCT联盟汇集了与燃料电池效率和耐久性有关的不同领域的专业知识,并与工业开发商进行沟通。虽然该团队最初的重点是以氢气为燃料的长途牵引卡车,但M2FCT研究人员也对氢气燃料电池在其他要求更高的重型应用中的潜在应用感到乐观,包括火车、海运甚至航空。


氢气是一种多功能的能源载体,你可以将能量储存在氢键中,这对于长期或季节性的能量储存特别有意义。你可以在卡车或工业部门使用它,但你也可以将它转换为电力投入电网,Cullen说,我们希望看到对氢气作为能源载体的兴趣如滚雪球般增长,而不仅仅是用于汽车。



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