氢燃料电池助力二氧化碳减排

用氢燃料电池实现商用车辆电气化

航运和海港基础设施是温室气体排放的重要来源。根据国际海事组织的数据，每年的海上运输产生了超过 9 亿吨的二氧化碳。全球经济体依靠航运将产品运送给消费者，高达 90% 的外国货物通过集装箱船在港口运输，但对环境造成的损害却是巨大的。居住在繁忙海港附近的人们面临着由港口商用车辆的柴油发动机排放造成的危险程度的空气污染。

例如，名为集装箱装卸机的大型工业车辆负责从集装箱船上装载和卸载集装箱。每台集装箱装卸机排放高达 144 吨二氧化碳，而一个大型港口可以拥有数百台这样的机器。只需将一台集装箱装卸机上的柴油发动机换成绿色发动机，其效果就相当于从道路上减少 32 辆燃气驱动的乘用车。

从乘用车到长途卡车、机车和重型设备，内燃机 (ICE) 正在被更环保的替代品所取代。电池驱动的电动汽车已成为人们关注的焦点，消费者在车型和充电地点方面的选择越来越多。但在港口，内燃机指的是重型工业车辆（如堆场卡车、叉车和集装箱装卸机）中的柴油发动机。电池和所需的充电基础设施对于许多此类操作来说并不适合。

这正是燃料电池可以提供帮助的地方。

实现电气化

燃料电池非常适合重型设备所在的场所。这些设备必须长时间运行，并且需要尽量减少加油的停机时间。给氢燃料电池充电所需的时间与给类似大小的油箱充电所需的时间大致相同，而给重型电动汽车的电池充电则需要数小时。燃料电池可为车辆提供完成 8 小时轮班所需的功率密度和续航里程。一家专注于商用车燃料电池技术的公司是 Nuvera。

Nuvera Fuel Cells 创始员工兼董事 Gus Block 表示：“当需要长距离行驶或电池充电时间过长时，燃料电池比电池更胜一筹，这使得它们非常适合船舶、飞机、卡车、公共汽车和应急响应车辆。”

Block 说：“当电池太大而无法安装在车辆上，或者太重而影响有效载荷时，也需要它们。”“例如，电动集装箱装卸机所需的电池大小与一头小象相当。”

Nuvera 燃料电池的照片。 — Nuvera 的 E 系列燃料电池发动机之一。图片来源：Nuvera Fuel Cells。

无需充电的电动替代品

燃料电池除了产生热量和水之外，不产生任何废气。由于没有活动部件，其设计原理很简单：一个膜夹在两个电极之间。当氢燃料遇到阳极时，它会分裂成一个质子和一个电子。质子穿过膜到达阴极，在那里与氧气相遇。电子在电极之间走更长的路线，通过电路传播。电子的流动为电动机产生了动力。在阴极，质子、电子和氧结合形成水。

使用建模和实时模拟使 Nuvera 的工程师能够快速迭代他们的设计并进行实验而不会危及真实发动机。

这里面的科学原理很简单，但完善高性能电源的配方却很难。许多因素控制着燃料电池内部的多种反应，软件控制系统必须考虑所有因素，才能从设备中榨取最大的功率和效率。控制系统根据反馈不断进行修正。

Nuvera 首席工程师 Pierre-François Quet 表示：“最大的设计挑战之一是保持细胞适当的水分。”“水不足，质子就无法通过；水太多，电芯就会被淹没。”

他们的系统通过改变冷却剂温度以及操纵气流来增加或减少蒸发来管理水合反应。Nuvera 使用 MATLAB^® 和 Simulink^® 设计控制燃料电池发动机的软件。燃料电池发动机通常包含数百个相互堆叠且其间流动着冷却剂的燃料电池，还配有冷却泵和空气压缩机。Quet 表示，燃料电池发动机的工厂模型（包括控制电气和化学反应以及水、气体和冷却剂的温度和压力的方程式）也在 Simulink 中实现。通过这种模拟，Nuvera 编写算法来改进冷却剂流动等，以获得最佳性能。一旦算法完成，Simulink 会将其转换为可在实际燃料电池发动机中嵌入的处理器上运行的代码。

码头上顶部装载的集装箱装卸机从一堆集装箱中取出两个非常大的集装箱。 — 海斯特^® 顶部装载的集装箱装卸机。图片来源：海斯特—耶鲁集团。

控制算法还考虑了许多操作条件。在模拟中，Nuvera 在低和高环境温度以及低和高湿度环境中测试系统。

为了在更现实的环境中试验他们的算法，Nuvera 进行了硬件在环测试：他们将引擎模型加载到 Speedgoat 制造的定制计算机上，该计算机具有与物理引擎相同的输入和输出，并可实时模拟其运行。运行燃料电池发动机的同一台嵌入式计算机连接到 Speedgoat 机器，并使用Simulink生成的 C 代码进行编程。

这种设置增加了严谨性，同时使 Nuvera 的工程师能够快速迭代他们的设计。它还允许进行实验而不会危及真实引擎。

不同类型的混合体

几乎所有燃料电池汽车都是电动混合动力汽车，由燃料电池和蓄电池提供动力。在某些情况下，燃料电池提供涓流充电以保持电池充电，而在其他配置中，燃料电池和电池都通过电动总线为电动机供电。电池还用于接受车辆的再生电力，例如当叉车制动或降低负载时。

Quet 的团队首先必须根据制造商提供的数据和内部收集的数据，在 Simulink 中建立锂离子电池模型。他们还编写了算法，可以根据测量的数据（电压和电流）估算电池的充电状态。然后他们使用 Simulink 来编写控制算法。系统需要维持理想的电池电量水平，以便始终有足够的能量来满足峰值负载并有足够的容量来重新吸收能量。Nuvera 团队还通过在一系列模拟叉车和负载场景中测试算法，设计了各种系统组件的最佳尺寸。

两全其美

燃料电池具有电池和内燃机的共同优势。与电池一样，它们可扩展且安静，并且不会产生有害排放。但燃料电池汽车也具有汽油和柴油动力内燃机汽车那样的长续航里程和快速加油时间的特点。氢气可以在压力下储存在燃料箱中，使其能够容纳比同等尺寸的电池多得多的能量，因此，您无需停下来充电或更换电池，就可以让车辆运行与电池供电车辆一样长的时间甚至更长，并花几分钟的时间加满油箱。

Nuvera 燃料电池发动机的一个用途是用于其母公司 Hyster-Yale Group 生产的叉车。Nuvera 还将两台 E-45 燃料电池发动机集成到 Hyster^® 将在洛杉矶港使用的集装箱装卸机，类似于照片中所示的模型。仅将此一辆汽车的柴油发动机换成燃料电池电动传动系统就可每年减少 128 公吨的二氧化碳排放。商用和工业车辆中的柴油发动机是碳排放和降低空气质量的标准污染物的来源。Nuvera 与其他制造商合作，使用燃料电池为公交车、火车和专用车辆提供电力，以帮助大幅减少其排放。