当氢燃料电池成为发电机

　　编译：李忠东

　　加速绿色能源转型

　　为了实现“双碳”目标，在推动车辆与新能源技术不断更新换代的同时，也离不开基础设施的完善布局。为了让电力设施相对匮乏的偏远地区能设立充电桩站点，保证车辆短时间聚集时能提供灵活便利的应急充电服务，通用汽车开发出Hydrotec氢燃料电池技术。

　　氢是宇宙中含量最丰富的元素，水资源中蕴藏着大量可供开发的氢能。氢气燃烧的产物是水，完全无污染，能够真正实现理论意义上的零碳排放。氢气热值是常见燃料中最高的，可达142kJ/g，这一水平大约是石油的3倍、煤炭的4.5倍。这意味着，消耗相同质量的能源，氢气所提供的能量是最大的，顺应了汽车轻量化的大趋势。

　　储能为氢能发展带来了新的想象空间，风电、光伏等新能源具有天然波动性和不可预测性，除了高波动性将导致电网运行安全风险增加，储能系统不仅可以平抑新能源发电的波动性，还能减少能源浪费，是风、光并网的刚需和标配。按照能量存储形式，目前储能可分为电储能、热储能和氢储能，其中氢储能在理论上是非常有前途的。

　　氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能直接转换成电能的发电装置，基本原理是电解水的逆反应，把氢和氧分别供给阳极和阴极，氢通过阳极向外扩散和电解质发生反应后，放出电子通过外部的负载到达阴极。反应过程不产生碳氧化物、氮氧化物和硫化物等物质，也不需要经由化学物质储能，只释放水蒸气和热量。如果制备氢的电力来自光伏、风力等，整个循环成为彻底不产生有害物质排放的过程。而采用燃烧（汽、柴油）或蓄电池储能方式，会释放像COx、NOx、SOx气体和粉尘等污染物。

　　氢燃料电池的发电效率可以达到50%以上，这是由燃料电池的转换性质决定的，直接将化学能转换为电能，不需要经过热能和机械能（发电机）的中间变换。氢燃料电池运行安静，噪声大约只有50分贝，相当于人们正常交谈的水平，适合室内安装，或是在室外对噪声有限制的地方。燃料电池既可以搭载在汽车上，亦可以将车辆与燃料电池分离，渗透到更多地区和场景中。

　　严格地说，氢燃料电池是一种发电装置，像发电厂一样，是把化学能直接转化为电能的电化学发电装置。另外，氢燃料电池的电极用特制多孔性材料制成，这是氢燃料电池的一项关键技术，它不仅要为气体和电解质提供较大的接触面，还要对电池的化学反应起催化作用。而干电池、蓄电池是储能装置，基本原理是把电能贮存起来，需要时再释放出来。

　　在全球向绿色能源转型的道路上，通用汽车已经将开发氢能源制定为公司重要战略。该车企通过氢燃料电池汽车和移动发电设备，推动清能源渗透到包括数据中心、汽车充电等各个领域，确立了行业中的领先地位。经过多年的发展，通用汽车已将Hydrotec系统浓缩为一个“能源立方体”，其中包括300个单独的具有集成热管理和功率管理功能氢燃料电池。每个都能产生80kW以上的功率，并根据功率要求设计成每辆车多个单元。这些“立方体”可以被部署在各种应用中，包括移动发电机和临时电动车充电器。

　　通用汽车Hydrotec全球业务执行董事查理•弗雷泽在一份声明中表示：“我们认为纯电动的未来不仅仅局限于乘用车，还将应用于运输领域。凭借在Ultium智能纯电平台和推进部件以及Hydrotec燃料电池方面的能源平台专业知识，我们将会使不同行业和用户有更多机会使用纯电动汽车，从而减少发电相关排放。”

　　研制氢燃料发电机

　　通用汽车高管表示，氢燃料电池的广泛应用将使通用汽车能够利用和扩大现有的氢燃料投资并改进技术。该公司计划使用其Hydrotec品牌的氢燃料电池制造移动发电设备，为电动汽车提供快速充电能力，无需在临时需要用电的区域扩大电网，或安装永久性充电设备。根据分工，氢燃料电池系统由通用汽车和本田在美国密歇根州布朗斯敦的合资企业组装，总部位于犹他州的可再生创新公司负责将其电力集成和管理系统与通用汽车的燃料电池硬件和软件相结合，建造发电机。通用汽车面向不同的使用场景，开发了三种可将氢燃料转换为直流电的电动车充电设备——

　　◆ 零售电动汽车充电站

　　通用汽车和可再生能源创新公司合作开发出Empower快速充电器，使零售加油站具有经济性的直流快速充电能力，为电动汽车提供快速充电。它有助于部署必要的快速充电，而无需对不可恢复的电气基础设施升级进行大量投资，例如更大的馈电线、变压器和潜在的新变电站。Empower快速充电器由8个通用Hydrotec功率立方体提供动力，消耗内部储罐中的氢气，并且可以从150 kW开始同时向4辆汽车进行直流快速充电，预计目标完全充电时间为20分钟。Empower快速充电器可为100多辆电动汽车充电，然后再为该装置补充氢气。它可以安装在加油站以及在特定季节受游客欢迎的国家公园或度假目的地等。可再生能源创新公司计划，到2025年底在全美部署500个零售电动汽车充电站。

　　◆ MPG移动发电机

　　MPG移动发电机是安装在拖车上的充电设施，可以方便快捷地移动，满足临时场景下的电力需求，比如工地、电影布景地、户外音乐会和大型会展展厅等，还有应急充电服务，像车流潮汐特征明显的公路和电力中断的受灾地区等。这种发动机不需要扩大电网或安装永久充电站，就可以为电动汽车提供快速充电。MPG移动发电机同样由通用汽车与可再生能源创新公司联合研发，相关的多个开发项目已经在进行中，包括将该技术作为电动汽车的移动充电站进行示范。该项目部分资金由密歇根经济发展公司和美国陆军作战能力发展司令部地面车辆系统中心提供。

　　◆ 托盘式移动发电系统

　　作为一个单独设计的托盘化的MPG版本，它由Hydrotec电源立方体提供动力，可将车外大量储存的氢气转化为运行中无排放的电能。与满负荷的传统柴油发动机相比，托盘式移动发电系统相当于一台60kW的发电机，可比传统柴油发电机多产生近70%的电力，产生的噪音更小，并且排放的水可立刻收集并重新利用，另外包含柴油发电机通常不具备的功能，例如备用电池和输出调节。它比MPG移动发电机的移动更加灵活，可用叉车装卸、卡车运输，而且供电能力也更强，能为大型电动车辆和机械设备充电。

　　上述三种可将氢燃料电池转换为直流电的电动车充电设备，均由通用汽车的第二代Hydrotec燃料电池功率立方体提供动力，输出能力覆盖60kW~600kW，具有零排放、低噪音、高效率的特点。通用汽车还将在航空航天、机车和重型卡车行业部署Hydrotec技术。加州能源委员会将通过其移动可再生备用发电系统计划资助单独的4个额外MPG的示范计划，以展示在全加州为减少野火发生的计划停电期间，基于氢的移动发电机是如何抵消能源损失的。

　　创建绿氢供应链

　　1970年，通用汽车最早提出了“氢经济”的概念，希望利用氢的化学性质实现清洁能源的循环利用。2017年，通用汽车推出首个具有自主功能的灵活燃料电池电动汽车平台——SURUS。该系统专为商业和特种用途而设计，主要用于商用车、卡车的改装和定制生产。该平台配有通用汽车最新的Hydrotec燃料电池自主系统和卡车底盘组件，能够提供高性能以及零排放的推进力。凭借两款先进的电动驱动单元，四轮转向系统和锂离子电池系统，最大可以提供645公里的续航里程，并配有自动驾驶技术。但是到 2020 年，燃料电池电动汽车的商业化生产仍未实现。

　　通用汽车已经创建了一个独立的业务部门Hydrotec，着手生产一系列模块化的质子交换膜燃料电池，部署 Hydrotec 模块作为电动汽车的便携式充电站，旨在用于包括规模最大的运输和发电应用在内的多个行业领域。2013年，通用汽车与本田合作开发重型燃料电池，推出了Hydrotec燃料电池系统套件。本田汽车计划从2024年开始，在日本和北美推出一款新型氢能燃料电池乘用车，将配备与通用汽车共同开发的下一代燃料电池系统。据介绍，新燃料电池系统的耐久性有望提升一倍，而成本却降低至三分之一。

　　灰氢是通过化石燃料燃烧产生的氢气，制氢方法相对廉价，操作方法简便，而且所需的设备较少，占用空间也较小，产量约占当今全球氢气产量的95%。蓝氢也由化石燃料产生而来，具有电力需求较低和融入了碳捕获与储存（CCS）技术的优势。虽然蓝氢的生产无需以可再生能源的强劲增长作先决条件，但其资本支出和运营成本高昂，必须有可靠的天然气供应，而且CCS技术需要相对罕见的地质条件，因此在全球范围内蓝氢比绿氢更难获取。

　　绿氢是利用可再生能源（例如太阳能或风能）通过电解工序产生的，其碳排放可以达到净零。理论上绿氢才是未来真正的清洁能源，但成本也高得多。过去几年里，电解制氢所需消耗的电量十分庞大，约占总生产成本的75%。绿氢的生产成本约4美元/kg，而灰氢和蓝氢的生产成本在1.5~2美元/kg左右。在制氢环节，电价和电解设备是导致当前绿氢生产成本居高不下的重要原因，两者的成本占比分别达到50%和40%。

　　质子交换膜电解槽是一种高效、稳定的电化学设备，能力主要体现在两个方面：一是电解效率高；二是稳定性好。它具有良好的离子选择性和传递性能，能够有效地分离氢气和氧气，从而实现高效的氢气制备，在制氢系统总成本中的占比近50%。作为电解槽关键的部件，质子交换膜能够选择性地传递氢离子，而不传递其他离子——如氧离子，因此能够产生纯净的氢气和氧气，并防止电解质中其它杂质的生成。

　　一年前，通用汽车与挪威NEL氢能公司联袂开发并改进了NEL的质子交换膜电解槽技术。NEL是全球最大的氢能电解槽生产公司之一，同时掌握加氢站设备制造能力。NEL的制氢技术可以追溯至1927年，专攻电解槽技术生产可再生氢气设备和车用氢燃料电池，至今在氢提纯公司中居于全球领先地位。去年11月，两家公司签署了一项联合开发协议，宣布合作提高电解槽的效率和成本，并推动绿色氢供应链。通过结合通用汽车的燃料电池技术与NEL的电解槽技术，有望开发出更具成本竞争力的可再生氢能。5月4日，挪威NEL氢能公司宣布在美国密歇根州建立自动化电解槽超级工厂，投资额为4亿美元，每年供应高达4GW的氢气，成为世界上最大的此类工厂之一。

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