PEM燃料电池「pem氢燃料电池」

今天带来PEM燃料电池「pem氢燃料电池」，关于PEM燃料电池「pem氢燃料电池」很多人还不知道，现在让我们一起来看看吧！

PEM 质子交换膜燃料电池的工作原理
质子交换膜 (PEM) 燃料电池由两个电极组成，一个负极（阳极）和一个正极（阴极），中间有电解质。
氢气被输送到阳极，空气被引导到阴极。阳极的催化剂将氢分子分离成质子和电子，它们通过不同的路径到达阴极。
电子被发送到外部电路，产生电力。质子穿过电解质到达阴极，在那里它们与氧和电子结合产生水和热。

固体氧化物燃料电池 (SOFC)

固体氧化物燃料电池 (SOFC) 使用固体氧化物材料作为负极（阳极）和正极（阴极）之间的电解质。
在许多情况下，SOFC 使用蒸汽重整天然气，产生氢气 (H2)、一氧化碳 (CO)、二氧化碳 (CO2) 和蒸汽 (H2O)。它们从阳极侧进入燃料电池，而空气从阴极侧进入。空气中的氧气与自由电子结合在阴极形成氧化物离子，这些离子通过电解质从阴极移动到阳极。
在阳极，氧化物离子与氢反应形成水，并与一氧化碳 (CO) 反应形成二氧化碳 (CO2) 并释放自由电子，自由电子通过外部电路到达阴极，从而产生电力。

可以假设移动和固定式原始设备制造商的许多工程师都了解质子交换膜 (PEM) 燃料电池的技术。毕竟，燃料电池自 1800 年代中期（至少在概念上）就已经存在，并且多年来一直参与一些相当引人注目的应用，其中最著名的可以说是美国太空计划。

但是，随着对更清洁和基于氢的推动变得更加明显，燃料电池如何工作已经退居二线，成为更平淡无奇的问题，例如“它们将如何安装在我的车辆或机器中？”、“我能装多少？”需要在我的设备中使用吗？”，“它们可以使用多久？” 以及“他们如何服务？”

因此我们整理了最常见的问题，并询问了两位领先的专业人士的答案。

Philippe Gorse（德国罗尔斯罗伊斯MTU Solutions 的燃料电池技术总监）和Ryan Sookhoo（康明斯加拿大燃料电池业务的业务发展总监）提出了问题。

问题1：燃料电池的可扩展性如何？您能否制造出相当于 400 马力发动机的单个燃料电池，或者需要一系列燃料电池才能达到这种输出功率？

Philippe Gorse：我们正在谈论燃料电池的三个系统级别，即具有堆叠电池的电池组、模块（包括工厂平衡组件）以及；燃料电池系统（工厂）。

这对于可扩展性而言意味着，在电池级别，由电池制造商决定他们制造多大的电池。这取决于它们如何将氢气、水和空气分配到整个电芯中。

然后将数百个电池堆叠在一个堆叠中。这样做时，受到介质供应（空气和氢气）和电气系统的限制，电气系统必须保持一定的电压上限。

在电池模组周围，我们集成了氢气供应、排气、带有集成压缩机或涡轮增压器的空气供应以及冷却系统的平衡组件。这是具有一定功率输出的模块。

市场目前提供 50kW 至 80kW 的乘用车系统，预计在不久的将来会为重型卡车提供更强大的系统。由于需要更强大的系统，未来这一趋势将继续上升。

在船舶、发电、建筑和工业等应用中，情况也是如此。然后，我们将从系统级的多个模块生产兆瓦级系统。在内燃机的情况下，可扩展性是由不同的气缸变体建立的。

Ryan Sookhoo：在该行业中发生的事情是，随着新市场的展开或进入试验阶段，我们基本上采用已经商业化的燃料电池，并将它们的成倍数放入其中以适应该应用。

当您将马力与电动进行比较时，它不像是一对一的。燃料电池是一种能源。电机正在确定该能源需要提供什么，例如 100kW 或 200kW。应用的电动机将决定燃料电池的功率。

你所发生的是重型应用开始上线。因为该技术最初并不是为重载而设计的，因此您可以配置多个燃料电池来完成它。但该技术正朝着商业产品化的方向发展，我们目前正在测试和演示用于数百千瓦到兆瓦的重型燃料电池堆。

问题2：燃料电池能否提供可变输出，以便在移动应用中可以直接驱动电动机，还是必须始终与电池搭配一起使用？
RS：每个燃料电池系统实际上都与电池组合，但并不总是显示出来。但每一次成功的移动组合动力，无论是陆上、海上还是空中，都是采用燃料电池和电池技术的组合。然后当电力进入电池时，会有不同的化学成分。可以使用非常受欢迎的锂、铅酸，甚至可以使用超级电容器。总是与燃料电池组合的电池或能量存储方案有很多选择。

燃料电池列车

燃料电池列车与传统区域列车的范围相匹配，对环境的影响较小，噪音水平较低，同时最高时速为 86 英里/小时（140 公里/小时）。

燃料电池会循环，它只是不能像电池一样在几微秒内做出反应。使用燃料电池，您可以从额定功率的 10% 升至 100%，而这可能只需要一秒钟。而在电池中，如果你要从 10% 到 100%，它会在几微秒内完成。您与电池混合的主要原因之一就是要弥合这一秒差距。

燃料电池的工作原理是将氢气和氧气结合起来，因此我们所说的加速延迟实际上是燃料电池从空气中吸收氧气并产生反应的能力。因此，与增加成本加入一些非常奇特或复杂的空气加压快速输送系统，这就不如直接使用电池。它便宜得多，并且证明运营商应该看到无缝电源切换。最好的方法是将燃料电池与电池组合，因为电池会瞬时反应，操作员甚至不知道燃料电池何时开始工作的，因为燃料电池和电池并行供给电动机。

当电池上的电压开始下降时，燃料电池开始接管，为电池充电。但对操作员而言，电机并不会错过任何节拍。

PG：燃料电池可以像内燃机一样动态运行。首批车辆也证明了这一点。但始终建议将燃料电池与电池耦合以延长燃料电池的使用寿命。无论如何都需要电池来启动燃料电池。然后，可以设计电池的尺寸，使其可以承受过载梯度并减轻燃料电池的负担。

原理与内燃机相同。这里有用于游艇的非常动态的发动机，以及用于工作船的不太动态的发动机。动力较小的工作船发动机的使用寿命更长。

电池和燃料电池的功率根据客户的应用而定。客户的要求描述得越好，船舶或电力系统的运行方式，电池和燃料电池就可以更好地匹配。

例如，小型电池系统可以与大型燃料电池系统结合，反之亦然。这也是燃料电池的一个重要优势。通过将其与电池结合，可以实现推进或能源系统设计的灵活性。

问题3：燃料电池的启动速度有多快？他们是否需要一段时间预热或立即开始产生额定电量？

PG：燃料电池系统的启动时间绝对可以与内燃机相媲美。当与电池结合运行时，系统最初立即通过电池提供电力。

燃料电池本身需要短时间的电力来驱动压缩机，以保证电堆的空气供应。然后，在最快的情况下，它可以在 30 秒内达到满载。如果操作更轻柔，它会在大约 60 秒内满载。

但是，燃料电池冷却系统不用结冰。冷却水应始终为液态（5º 至 10º C）以准备好立即运行，这类似于同样预热的大型柴油发动机。

RS：你可以期待与内燃机完全相同，这就是与电池组合的美妙之处。

燃料电池一旦启动就会很快升温。以 100kW 的燃料电池为例。如果您生产 100 千瓦的电力，那么您也至少会产生 100 千瓦的热量。升温和达到温度的速度非常快。

问题4：内燃机使用附件——启动机、散热器和风扇、空气和燃油过滤器——来运行。燃料电池系统需要哪些配件？

RS：“在耐用性方面，该装置的运行时间将与柴油卡车发动机一样长或更长” - 康明斯燃料电池业务业务发展总监 Ryan Sookhoo

新的是它正在一直发电而不是将柴油燃料泵入发动机，而是将氢气输送到燃料电池中。因此，当您查看基本面时，除了内部反应之外，实际上并没有什么不同。

PG：在燃料电池模块中，通过集成空气供应、氢气供应和冷却供应，将电堆扩展为燃料电池模块。通常这包括压缩机或涡轮增压器的空气供应、将废气排出室外的非空气系统、冷却泵、控制单元和电力电子设备，以将电池组中的电压提高到所需水平。

添加到燃料电池系统模块中的是冷却器、氢罐、电池和电力电子设备，将燃料电池提供的直流电转换为 50Hz 或 60Hz 电网的交流电。

带有内燃机的发电机组系统也有类似的组件——散热器、燃料箱、启动电池、产生交流电的发电机，此外今天通常还有废气后处理系统和消音器。

燃料电池系统不需要发电机、废气后处理和消音器。然而，所需的安装空间大致相同，因为燃料电池的冷却系统要大得多。由于燃料电池系统总体上需要较少的组件，因此它比带有内燃机的系统更简单。

短途旅行：燃料电池系统的一个主要优势是排放合规性不是问题。只有满足电网要求才能向电网馈电。

问题5：OEM 会购买燃料电池并对其进行包装，还是燃料电池供应商通常将燃料电池系统作为一种即插即用模块提供？

PG：建议原始设备制造商不要自行组装燃料电池系统。MTU动力系统等解决方案提供商在系统集成方面更有经验，更了解各个组件及其属性。

罗尔斯·罗伊斯动力系统公司正在德国建立一个演示器，以测试基于燃料电池的可持续和气候友好型电源。

我们有客户尝试过，但现在他们很感激我们为他们做了工作，并为他们提供了一个燃料电池系统，包括电池、电力电子设备和冷却器等，所有这些都相互协调。

RS：这是典型的。不是典型的燃料电池公司，而是典型的制造发动机的公司。您从康明斯购买发动机，如果愿意，您会得到一个发动机包，包括一切。燃料电池将与您的泵、空气系统、调节器一起提供，因此基本上您将在此处放入氢气，将冷却剂放入此处并从那里取出电力即可。

有一些燃料电池公司只向你出售电堆或燃料电池，然后你必须去寻找你的泵、你的调节器、你的空气过滤器等。从康明斯的角度来看，我们倾向于更完整解决方案。

我们去年宣布与一家名为 NPROXX 的坦克公司成立合资企业。康明斯制造电力电子设备并拥有电池技术。所以我们真的在努力提供一种电源解决方案，而不是燃料电池。

不仅仅是技术和系统封装，我们真的在努力降低成本。因为归根结底，这些车辆必须在经济上有意义，我们不能只是放下我们的零件并将氢气供应罐留在那里，因为原始设备制造商会感受到它。

问题6：燃料电池的耐用性如何？它们能否接受移动车辆、设备和船舶等应用中常见的冲击载荷？

RS：我会说耐用性一直在稳步提高。他们被设计得更好。当汽车市场推出燃料电池时，它们应该超越内燃机的性能。燃料电池为您提供了内燃机的优势，例如续航里程，以及电池的所有优势，即零排放。

在耐用性方面，该装置的运行时间与柴油卡车发动机一样长或更长。这就是目标，为您提供相同的性能期望。

mtu 燃料电池船用推进系统的布局

目前康明斯燃料电池的运行时间大约是 12000 到 15000 小时，但这非常依赖于duty cycle。与汽车一样，影响寿命的不是年龄而是里程数。

在受控条件下和轻负载循环下，它们可以运行更长的时间，因此其使用寿命在很大程度上取决于它的使用方式。康明斯非常有信心，在接下来的几年里，我们实际上将达到我们需要达到的目标，与柴油机运行时间相当。

PG：谁知道？我们在柴油发动机方面有很长的经验。对于燃料电池，目前还没有人有这样的经验，因为它们已经很长时间没有运行了。我们仍然需要找出答案。这就是为什么我们也采取试点工厂的路线，我们希望在开发的早期阶段将其引入现场并在实际条件下观察它们。理论上，他们有长期的需求。毕竟，它们还必须满足重型卡车行业的高要求。燃料电池系统的设计使用寿命很长，这一点很重要。

问题7：燃料电池在工作温度方面是否有任何限制？燃料电池（散热器或加热器）需要什么样的热管理？

PG：对于 PEM 质子交换膜燃料电池，当我们使用它们时，电堆的舒适区在 60º 到 80º C 之间。超过这个温度，燃料电池就很难冷却了。过高的温度会显着降低其使用寿命。

在较低温度下，确保燃料电池不会冻结很重要。这就是为什么应使用预热器保持最低温度的原因。

RS：燃料电池会产生大量热量，所以我们运行在显着低于零度的温度确实不是一个挑战。当不工作时，零下温度对我们来说是一个挑战。在水滴出的地方，我们必须确保它不会结冰。

燃料电池的工作温度正在上升，这意味着我们试图让它们运行得更热，而我们这样做的原因是我们一直试图保持工作温度。

我们基本上是要求我们的冷却系统保持该温度。这意味着如果您所在的区域外面真的很热，那么散热器系统要大得多才能保持该温度。

问题8：燃料电池在车辆和设备中的安装难度如何？以卡车为例，您能否在与发动机相同的空间内封装 400 马力的燃料电池系统？

RS：我认为它会因具体应用而改变，但不会因行业而异。商用车队的车辆，工作周期、运行方式将决定尺寸和燃料电池的大小

相对于电池。如果你做长途运输卡车，那将有不同的配置。

它的优点是系统封装，即电源解决方案，以duty cycle为目标。这个适合所有人，因为最终可能会发生的是你多付了钱而没必要选择太大的燃料电池系统。

你看到这个行业发生的事情是，通过不断在各应用领域的试验和发展，随着燃料电池系统的商业化，它们在各应用领域被逐渐分成一定尺寸的燃料电池和一定尺寸的电池。同样的尺寸可能不适合重型卡车。因此，通过各种应用领域，您将中获得更多标准化。

PG：应该考虑带有储氢罐和燃料电池的完整驱动系统。燃料电池系统比带有内燃机的驱动系统重，主要是由于储氢罐。体积也更大，因为罐中的氢气比柴油罐需要更多的空间。

例如，今天一个 40 英尺的柴油发电机组集装箱可提供大约 3 MW的功率。一个 40 英尺的燃料电池容器将提供 2 MW 至 3 MW。随着时间的推移，我们期望燃料电池获得与发电机组相似的功率密度，但储氢罐总是更大。这带来了挑战，尤其是对于海洋应用。因此，目前正在讨论一些未来的燃料——液态氢、甲醇和氨——其中一些可以重整用作燃料电池的燃料。

有些客户没有这个挑战，因为他们已经拥有氢基础设施，例如进入氢电网。

问题9：燃料电池是密封的还是可以打开进行维修或保养？是否需要日常维护？

PG：燃料电池中的活动部件很少。因此，与内燃机相比，磨损显着减少。我们假设燃料电池将更容易维护，尤其是在预测性维护方面。空气过滤器和去离子器需要定期维护，这会降低冷却剂的导电性。

燃料电池在仅 3 巴的压力下运行，与在高达 250 巴的压力下运行的内燃机相比，这对组件施加的压力更小。PEM 燃料电池 80º C（内燃机为 1,000º C）的相对较低的温度也意味着材料不会受到特别的压力。这意味着燃料电池通常比内燃机更容易维护。

完全有可能更换设备的平衡组件，例如冷却水系统、空气过滤器、管道和控制单元。这可以在车间完成。但是，打开电堆需要在洁净环境条件。在对电堆进行大修后，必须再次对其进行调节，使其充分加湿。

我们计划允许在运行期间移除和更换系统的单个模块，以便推进或能源系统可以继续以高功率运行而不会出现故障。就实用性而言，这是一个明显的好处。

Rolls-Royce Power Systems 的第一个燃料电池模块基于汽车燃料电池。

作为一般规则，燃料电池系统是为相应应用的使用寿命而设计的，模块的使用寿命为一定的运行小时数。这意味着模块每隔几年更换一次。当更换模块时，也必须更换电池组，因为燃料电池模块通常是为电池组的使用寿命而设计的。然而，也可以仅替换电堆。

必须指出的是，电堆仍然是当今维护的成本驱动因素。随着燃料电池在移动和发电领域的预期兴起，电堆的价格将大幅下降，维护成本将下降。我们已经在太阳能或电池等类似的新技术中看到了这种效果。

RS：燃料电池的优势在于它的技术要求非常低。里面没有很多活动部件，这是一个化学反应。它真正归结为真正决定电堆服务的堆栈寿命。其他部件就像调节器和螺线管，几乎从不发生故障。

我会说其中的大部分，年度维护真的是可见的。也许是空气过滤器，但这取决于应用。您不是在更换冷却液泵。

这就是为什么 DOE [美国能源部] 真正提倡燃料电池的 OpEx 或运营成本如此之低，以至于当与燃料电池的较高资本支出 [资本支出] 相结合时，您的 TCO [总拥有成本]拥有成本] 最终仍然更少。

所有这些系统都相当智能。每次运行后，康明斯燃料电池都会向您发送健康更新。所有这些数据，无论是否由操作员使用，都有助于预测性维护。

问题10：尽管存在氢燃料基础设施问题，但燃料电池生产准备好了吗？

RS：燃料电池本身已准备好投入生产。我们的设施旨在每年生产数千件。我们在加拿大的密西沙加拥有燃料电池生产的主要设施，我们在德国的赫滕也有一个大型设施。电堆构建就在那里。如果我们签订了一份很棒的合同，我不会说我们每年可以完成 10,000 次，我们现在每年可以完成 10,000 次。但我们可以轻松扩大规模，并且正在积极地这样做。

在公司位于加拿大安大略省密西索加的 New Power 工厂建造康明斯高密度燃料电池电源模块

随着产量的增加，康明斯将处于非常有利的地位，因为我们非常擅长扩大制造规模。

PG：技术成熟。我们在路上随处可见燃料电池。戴姆勒有千辆汽车，现代和丰田有汽车，瑞士正在启动千辆卡车计划。有一些制造工厂已经能够大量生产。

计划于 2025 年进入燃料电池的批量生产。投资将用于能够以高度自动化的方式大批量生产。尚不具备安全前景的是氢基础设施。但我相信，随着燃料电池的出现，这种先有鸡还是先有蛋的问题会减少。

许多国家扩大氢基础设施的投资计划表明，它也会到来，例如，也受到要求氢能汽车的卡车排放立法的推动。

问题12：虽然大多数兴趣和活动都涉及 PEM质子交换膜燃料电池，但固体氧化物燃料电池呢？

PG： PEM技术是目前最成熟的燃料电池技术。它正在变得具有成本竞争力。SOFC [固体氧化物燃料电池] 是一种高温燃料电池，可在 600º 至 700º C 下运行。它不能承受负载变化，但必须在相同的工作点运行。这使其非常适合热电联产电厂，即当客户有热需求时。

法国铁路制造商阿尔斯通正在使用康明斯燃料电池为其在奥地利、德国和荷兰运营的 iLint 乘客提供动力

它也可以用天然气操作。这是一个显而易见的选择，因为今天可以使用天然气网络。主要挑战是市场渗透。今天的价格仍然明显高于 PEM 燃料电池。电效率略高于 PEM。如果它打开市场，它就会有其存在的理由。

RS：通过收购 GE 固体氧化物项目，康明斯还拥有固体氧化物燃料电池。这是关于燃料，而不是技术。您能想象成为一个使用燃料电池运行 10 MW 的数据中心吗？是的，技术是存在的。但是你如何给他们提供那么多的氢气呢？固定市场的限制实际上不是燃料的基础设施的能力。没有进入该数据中心的氢气管道，但有一条天然气管道。

在康明斯，我们相信天然气固体氧化物燃料电池可能会主导这个市场空间，因为它在增长，因为那里有天然气管道。

然后您开始思考哪些区域允许固体氧化物燃料电池运行。我们看看加州和他们的排放要求，固体氧化物燃料电池会符合吗？谁知道？如果你去欧洲，这是同样的问题。

因此，与其说是技术，不如说是两种技术都可以完成这项工作。这将取决于您是否有足够的氢气或固体氧化物燃料电池的排放量是否足够低以符合该地区的排放标准。