【专家AG官网app】清华大学能源与动力工程系教授韩敏芳:由日产液体燃料SOFC汽车面世,引发对中国新能源汽车技术路线的思考

发布时间:2019-09-03 09:12 点击数:181

燃料电池(Fuel Cell,FC)是一种无需经过燃烧过程直接将燃料的化学能转化为电能的高效、清洁发电技术,是人类能源利用领域又一次变革性技术,近几年来在一些发达国家已经获得大量推广应用。在多种FC技术中最前沿的是固体氧化物燃料电池Solid Oxide Fuel Cell, SOFC),除了使用氢气燃料外,它还可以直接使用煤气、天然气、生物质气等各种多组分燃料,燃料适应性广,很容易与现有能源供应系统兼容;同时SOFC具有更高的发电效率(一次发电效率45%~60%,热电联供总效率90%);具有全固态结构,运行寿命长(目前~ 8万小时);不需要贵金属催化剂,设备成本和发电成本更低。将 SOF C 技术应用于新能源汽车领域,通过燃料电池与储能电池的优势互补,可以直接使用现有的液体燃料(汽油、柴油、乙醇、丙烷等),低功率燃料电池系统,长距离(2-3倍)续航里程;尤其是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,将是未来新能源汽车的重要发展方向。

图1 日产公司发“e-Bio Fuel-Cell”原型车(e-NV200),5kWSOFC-30升酒桶-600公里续航

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固体氧化物燃料电池直接使用液体燃料,克服了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(PEFC)相比,固体氧化物燃料电池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、丙烷、液化天然气等液体碳氢燃料,只需在电池堆前添加重整器,将液体燃料重整成合成气混合燃料即可供给SOFC使用。 同时, SOFC电堆发电副产的热量可以用于重整器进行重整,无需外部热源,能够实现发电系统的高效自维持运行。

发展使用液体燃料的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,日产公司发布了一款“e-Bio Fuel-Cell”原型车(e-NV200),该车是世界上首款采用SOFC作为主动力的车型,配备了输出功率为5 kW的SOFC发电系统和容量为24 kWh的储能电池组,使用生物乙醇作为燃料,30升油箱,续航里程达600 km以上。 如图1所示。 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。 与氢燃料电池汽车相比,SOFC汽车没有对加氢站和充电桩的硬性需求,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,配备245W的SOFC发电系统和锂电池组合,空中飞行时间超过8小时,如图2所示。 这些都是全球最先进的技术,充分证明了SOFC作为动力系统广泛的可行性。

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固体氧化物燃料电池增程式电动汽车可以实现燃料电池与蓄电池的优势互补,是未来新能源汽车的发展方向

固体氧化物燃料电池增程式电动汽车(FCEREV)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储能电池的优势互补。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,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3 0 kW 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。

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建议尽快立项开展固体氧化物燃料电池增程式电动汽车自主研发工作

目前我国在新能源汽车研发领域,还存在着技术路线不清晰的突出问题。混动插电式汽车、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。此外,新能源汽车推广难度大、成本高也是现阶段最为突出的问题之一。纯电动汽车续航里程较短,需要大量建设充电桩基础设施;氢燃料电池汽车的推广则严重依赖于加氢站的建设,高压氢气在车中的安全存储也是需要解决的突出问题。

SOFC增程式电动汽车结合了SOFC与锂电池技术,其突出优势在于可以直接使用液体燃料(包括LNG、丙烷、乙醇、汽油、柴油等),摆脱了新能源汽车对于充电桩和加氢站的硬性需求,可以很好地与现有的能源供应设施兼容。从全球范围来看,SOFC与锂电池分别在分布式发电、电动汽车领域已经有了比较成熟的应用,因此SOFC增程式电动汽车提供了现阶段新能源汽车优势互补的解决方案,进行自主技术研发有助于我国抢占国际技术制高点,实现在新能源汽车领域的弯道超车。

来源:今日头条


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