氢能源重卡——FVV氢研究

氢气作为一种能量载体不会释放任何温室气体。如果采用可再生能源生产，则为“绿色”氢气，完全不会对气候造成影响。因此，氢气在与燃料电池和内燃机结合方面的潜力研究是弗莱堡交通与环境研究所（FVV）在可持续交通领域工作的关键支柱之一。

1、通过氢气去化石化

人们正在投入大量的人力物力来开发未来技术，以实现交通领域的去化石化。FVV通过建立一个国际性的研究网络，支持其成员在这一领域进行合作研究，旨在实现气候中性的交通行业，为未来的移动出行奠定基础。这些研究项目涵盖了所有类型的动力总成概念，包括使用创新型能量转换器和替代能源载体的方案。除了在混合动力汽车（HEV）和纯电动汽车（BEV）领域的活动外，FVV还专注于在热能转换器和燃料电池中使用氢气。氢气在使用过程中不会产生二氧化碳，而且易于储存和运输。

2、燃料电池体系

聚合物电解质膜(PEM)燃料电池，是燃料电池应用领域的一个特别的乘用车动力系统的应用发展热点。它们使用压缩的气态氢作为能量载体。作为反应物所需的氧气从周围空气中提取，并通过电动离心式压缩机通过燃料电池堆输送。为了最大限度地提高PEM燃料电池的系统效率，堆和辅助单元必须完美地相互协调。增加堆的工作压力，或者增加氧的高化学计量供应，减少反应过程中的损失，从而提高堆的效率和功率密度。

由于PEM燃料电池的产量仍然较低，目前的设计出于成本考虑，仍使用现有的离心式压缩机，尽管它们与燃料电池并不完全匹配。例如，用于废气涡轮增压器的电动压缩机对于燃料电池来说速度太慢，而常规的滑动轴承或滚动轴承同样不如无油空气轴承适用。

在由德国联邦经济事务和气候行动部（BMWK）资助的FVV项目“燃料电池压缩机设计”中，研究人员正在使用模拟工具快速高效地优化适用于不同应用需求的离心压缩机。亚琛工业大学（RWTH Aachen University）的移动能源转换系统热力学（TME）教席和喷气推进与涡轮机械研究所（IST）参与了这一研究。作为第一步，TME识别了燃料电池系统架构对充电单元需求轮廓的影响。为此，研究人员创建了代表性的模拟，以确定哪种系统和充电单元操作策略能达到最高的效率。接下来，在车辆级上设计了一个具有挑战性的用例，并为压缩机设计创建了需求规格的边界条件。在此基础上，IST开发了空气动力学设计。此外，还包括定义优化操作点和目标函数、参数化几何形状、指定设计空间以及为优化过程建立数值模型。在进行气动优化的同时，通过相应的模拟确保结构-机械完整性。目前，正在通过在试验台上测试基于模拟开发的压缩机原型来验证研究结果。如图1所示。

图1  燃料电池离心压缩机试验台架示意图

该研究项目中开发的方法可以实现成本效益高的纯计算压缩机设计，即使是小系列的燃料电池系统也可以设计成高效率，从而降低能量需求。

3、氢燃料发动机

特别是，使用内燃机的重型商用车可以使用氢作为能量载体来脱碳。它的物理和化学性质不同于传统燃料，如汽油或柴油。为了进一步探讨这一点，FVV启动了“氢燃烧和PFI/DI概念比较”研究项目[2]。德国卡尔斯鲁厄理工学院(KIT)内燃机研究所(IFKM)分析了不同混合气形成概念在商用车应用中的潜力。为此，我们配备了一台单缸商用车发动机，通过端口燃油喷射(PFI)和直接喷射(DI)两种方式运行氢气，并在发动机试验台上进行了测试，如图2所示。

图2  单缸商用车发动机在PFI和DI实验台上的氢燃烧实验

同时，IFKM采用计算流体动力学(CFD)方法建立了燃烧室的三维模拟模型，为混合气的形成和均匀化提供了详细的信息。PFI设计被用作各种DI概念关于可实现的性能，效率和排放行为的比较基础。在这种情况下，研究的一个重点是PFI和DI的燃烧和排放行为，这是燃烧室内不同均质过程的结果。此外，专家们还分析了不同的喷油器成型帽在多大程度上改善了直喷混合气的形成。与DI相比，PFI表现出更好的混合均匀性和更慢的燃烧，表现为更长的燃烧延迟和燃烧持续时间以及更低的压力梯度，这在效率和NOx排放方面是有利的。然而，在增压压力为3.4 bar时，预压导致可达到的指示平均压力明显限制为18 bar。在预点火之前，带有四孔阀盖的直喷汽缸的平均压力为19bar，同时NOx排放量也相对较高。相比之下，该系统具有单孔帽且平均压力为20bar。在所研究的配置中，其最大负载能力仅受180bar的最大气缸压力的限制。

传统的氢发动机概念是基于改进的模具发动机。由于实用性和成本的考虑，PFI的集成优于DI。正如IFKM研究表明的那样，PFI在中等载荷下尤其具有优势，因为它的混合物形成更加均匀。DI可以在更高的负载下发挥其优势，并为整个系统的优化提供更大的潜力。目前的研究结果让发动机和汽车制造商清楚地了解了这两种解决方案的优缺点:虽然他们确认PFI是现有车队改造的好概念，但使用DI的系统对于专门为氢气设计的发动机来说是有希望的。

4、2050年的商用车

在研究项目“二氧化碳中性长途重型动力系统2050 II”[3]中，斯图加特大学声学与建筑物理研究所(IABP)和IAV研究了2050年长途卡车可能的动力系统概念及其对环境的影响。在早期的FVV研究中，从技术和生态角度评估了基于电池、氢气、架空电缆和内燃机的重型长途卡车的动力总成概念，为该项目奠定了基础。在燃料电池驱动的汽车中，主要的能量载体是氢和甲醇。此外，专家们还研究了混合动力氢燃烧发动机(H2-ICE hev)和插电式混合动力氢燃烧发动机(H2-ICE phev)车辆的动力系统概念。采用液态有机氢载体(LOHC)和低温液态氢和压缩氢作为储氢变体。在之前的项目中已经定义了纯电动汽车，并对其进行了短途运输目的的分析。

该研究项目的目标是从技术、生态和经济的角度对2050年可行的动力总成架构提供可靠的预测。为此，IAV进行了车辆模拟，以评估各种动力总成配置的功率需求和燃油消耗。计算分析的关键发现是，配备固体氧化物燃料电池(SOFC)和700 bar存储系统的燃料电池系统的卡车具有最低的氢消耗。然而，当使用LOHC储罐系统时，总体效率会下降。

IABP的详细生命周期评估(LCA)是基于模拟。使用所谓的从摇篮到车轮(CtW)方法，在考虑的动力总成架构价值链的不同阶段的所有直接和间接影响都包括在碳足迹计算中。假设2050年德国的电力结构包括水电、光伏和风能各占三分之一，二氧化碳排放量为11.5克/千瓦时。此外，研究人员的计算基于使用中东和北非地区(MENA)的混合电力生产合成燃料，估计二氧化碳排放量为8.7克/千瓦时。正如补充LCA的敏感性分析所示，电池的生产对温室气体排放的贡献最大，见图3。在该项目下，欧洲模块化系统车辆级别(总重量为50公吨)的电驱车只有在预测车辆寿命为150万公里期间不需要更换电池时才具有生态优势。这强调了提高电池续航里程和寿命的必要性，同时，将成本降至最低。

图3  商用车动力总成结构温室气体排放随运输性能的函数分析;包括混合动力汽车和纯电动汽车的电池更换频率(从上到下:寿命周期内5次、3次、1次和0次)

根据预测，SOFC变体是氢驱动系统中最具优势的，因为它在生产过程中释放的温室气体排放量低，成本相对较低。

对于这个项目，正如在所有lca中一样，很明显，预测高度依赖于用作模拟基础的假设。为了保证各种研究结果与科学标准具有可比性，FVV因此支持在欧盟层面上对边界条件和LCAs使用的方法进行标准化。

5、总结和展望

为有效应对气候变化，交通运输部门的非化石化是全球人类面临的最紧迫任务之一。通过气候中和交通研究项目，FVV正在同时释放创新能源载体和替代能源转换器的潜力。多样化有助于汽车制造商和供应商根据需要开发新概念，并以经济可行的方式快速部署它们。这也造成了流动性解决方案可用性的冗余，从而保障到2050年实现气候中和的目标免受不可预测的地缘政治、经济和技术变化的影响。自2016年以来，FVV一直活跃在氢利用领域，并将继续开展研究项目，以帮助我们进一步了解使用这种能源载体的复杂性。

参考文献略。

资料：MTZ worldwide 

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