燃料电池驱动系统有着光明的未来

作者:Reinhard Irrgang 文章来源:MM《现代制造》 点击数:408 发布时间:2019-08-13
尽管许多企业都推出了这样一种产品、并且已经在大型车队应用中经受了实践的考验,但它们仍然被人们称之为“背后的英雄”,它们就是本文要介绍的燃料电池驱动的运输叉车。我们通过调查问卷得出的答案是:从经济上和生产组织的角度来看这些环保型的运输叉车具有非常广泛的应用领域。
燃料电池驱动系统有着光明的未来

我们向技术领先的叉车生产厂家了解了有关燃料电池动力叉车的有关情况和他们的经验:您的哪些叉车品种使用的是(燃料电池技术的)混合动力?Still公司负责产品营销、市场和技术服务的领导人Thomas A. Fischer先生给出的答复是:“当前Still公司在最大承载能力为3.5 t的RX60-25/35型平衡重式叉车中使用了24 V、48 V和80 V的燃料电池技术和混合动力驱动技术。另外,我们还生产其他类型的叉车,例如我们的旗舰产品FM-X前叉式叉车。因此,我们满足了用户的大多数使用要求。而在这一功率档次中燃料电池技术与我们的叉车制造技术相结合才能实现最完美的优势互补。”

“大约80%的林德品牌叉车都可以配用燃料电池混合动力。例如低升程托盘叉车、牵引拖车、前叉式叉车以及平衡重式叉车,这其中包括了Roadster车型的叉车。” 林德物料搬运集团公司能源解决方案国际产品经理Markus Weinberger先生说。

“几乎所有丰田系列的叉车都可以配用燃料电池。从24 V电压的低升程托盘叉车到48 V电压的前叉式叉车直至80 V电压、最大载重量为5 t的平衡重式叉车。” 丰田物料搬运公司的产品管理负责人Kai Hesse先生说。

图1 几乎所有型号的丰田叉车都可以配用燃料电池驱动系统
图1 几乎所有型号的丰田叉车都可以配用燃料电池驱动系统

燃料电池电堆是驱动装置的核心

“燃料电池驱动系统是由哪些部分组成的?”这是我们提出的第二个问题。Fischer先生给出的答案是:“Still公司的燃料电池技术产生的电力能源直接馈送到叉车电网系统,利用叉车电力系统驱动叉车行驶、叉车的液压升降系统工作,为叉车辅助设备提供动力。作为电化学反应器的燃料电池电堆是整个燃料电池系统的核心。通常情况下,这种电堆包括了一连串都在进行电化学能量转换的燃料电池块、高压防爆储氢罐和锂离子蓄电池。锂离子蓄电池发挥着储存电力能源的缓冲作用,可以在峰值负载期间为叉车提高足够的驱动电力。燃料电池电堆就放置在叉车的蓄电池安装仓中,这就使得燃料电池的叉车可以像传统的蓄电池电力驱动的叉车一样使用蓄电池动力,同时也具有快速加氢的优点。”

正如Markus Weinberger先生所解释的那样,燃料电池驱动装置由以下部件组成:燃料电池电堆、蓄电池、水箱、储氢罐、液氢管理系统、冷却系统、空气压缩机控制系统组成。“氢燃料电池不是一个能源存储器,它是一个能源转换器。其核心就是所谓的(燃料电池)电堆。在这一电堆中,液氢与周围环境中的氧发生反应并产生电、热和水。这一过程给氢燃料电池的工作过程带来了许多好处。林德物料搬运公司与合作伙伴一起对叉车进行了一些技术改造,解决了有关的技术挑战。例如,利用风扇排出电化学反应过程中产生的热量。另外,辅助的锂离子蓄电池也保证了满足峰值负载时的用电要求,并能够将制动能反馈到蓄电池中去。” Weinberger先生说。

“燃料电池叉车的驱动装置的核心是燃料电池系统。它是由燃料电池电堆、储氢罐、储存电力能源的蓄电池和风扇系统构成的。这一系统可以简简单单的对现有叉车稍加改进就安装到电动叉车中去。” Hesse先生说。

燃料电池叉车可以在几分钟时间内完成加氢,在多班制生产过程中进一步证明了自己的优势,而且更有利于环境保护
燃料电池叉车可以在几分钟时间内完成加氢,在多班制生产过程中进一步证明了自己的优势,而且更有利于环境保护

燃料电池驱动叉车的优点

“最大的优点就是只需5 min的加氢时间。因此对物流搬运的影响非常小。它一方面省去了传统蓄电池动力叉车更换蓄电池组的时间,也省去了为蓄电池充电。因此是多班次仓储物流领域中最理想的仓储设备。” Fischer先生强调说道。

多班次工作中的理想设备

Weinberger先生介绍燃料电池叉车四大优势:加氢速度快、成本费用低、安全、干净整洁。“燃料电池的加氢时间只需1~3 min。这就明显地提高了燃料电池叉车在多班次工作中的利用率。近几年来,液氢的价格也明显降低了。同时,与铅酸蓄电池相比较它的加氢时间更短,省去了耗费时间的更换蓄电池,这也大大地提高了物流搬运工作效率。”

从使用操作的角度来看,“燃料电池省去了费时费力的更换蓄电池,没有能够带来潜在风险的蓄电池酸液,因此是铅酸蓄电池驱动叉车最安全、最干净整洁的理想替代解决方案。它尤其适合于在有卫生要求的工作环境中使用,例如在制药或者食品生产企业中使用。”

“通过合适的规划设计,燃料电池叉车可以随时随地直接的在使用现场加氢。例如在十字路口、或者在繁忙的运输道路旁,这就避免了加氢站的瓶颈问题了。”Hesse先生说。

燃料电池叉车能够为用户物流运输过程中的组织工作和经济性等方面带来什么好处呢?例如具体到使用时间、维护保养、设备和运营成本以及环境保护等方面能带来什么好处呢? “在多班制的物流搬运工作中燃料电池叉车的利用率有着非常可靠的保障,因为直到液氢完全用光之前叉车的电压不会下降。而且在燃料电池叉车工作使用过程中也绝不会排放出有害环境的污染物,因为氢与氧反应后排放到环境大气中的是‘纯水蒸汽’。当您使用的是气候中性法生产出来的液氢时,燃料电池叉车可以确保生态平衡。这也支持了我们重点在推进环境保护和节油技术的零排放战略。” Fischer先生解释说道。

数不尽的好处

Markus Weinberger先生又说了四大优势:使用寿命长、占地面积小、高利用率和有利于环境保护和可持续性发展。他说:“燃料电池的平均使用寿命为10000工作小时;在降低寿命周期成本的同时节约了资源。另外,企业的加氢基础设施占地面积也很小,省去了原来的充电站或者充电室。而省出来的空间可以作为生产、仓储以及交通道路使用。”

即便是在对能源需要最高的时候也不会像锂离子蓄电池叉车那样给电网带来很大的电力负荷,不会导致很高的电力成本。氢与氧反应出来的废弃物仅仅是水和热,因此燃料电池驱动系统不会排放出有害环境的污染物。如果使用的液氢是利用可再生能源生产出来的,例如利用沼气生产出来的液氢,则对环境保护作出的贡献就更大了。

高生产力、高可持续发展性以及高使用周期

Kai Hesse先生认为更高的生产效率是燃料电池驱动技术的最大优势之一。他说:“与更换蓄电池(10~20 min时间)相比较,加氢只需大约2 min的时间,显著地节省了时间。而且氢作为可再生能源,与其他能源类型相比较,燃料电池产生的废弃物是纯水,这种理想的储存方式保证了可持续发展性能。因此这一技术非常有利于减少二氧化碳排放。”

使用单台的燃料电池叉车、多台燃料电池叉车、甚至是燃料电池运输车队哪个更好?“首先,国家对燃料电池驱动装置的资金扶持当然有着非常重要的作用和意义。由于加氢设备基础设施的初期投资较高,尤其是安全标准要求很高的加氢站建设投资较大,因此建议使用燃料电池叉车时应是一个从20辆起到30辆左右的燃料电池叉车车队。” Fischer先生说。

至少使用20辆才是有利的

“对一家工业企业来讲,使用燃料电池动力的叉车时要保持最低下限20辆,50辆更好。这些燃料电池叉车组成的运输车队要具备很高的运输量,并且是在三班制生产过程中使用这些燃料电池叉车,要让它们每年都有很长的工作时间。”Weinberger先生强调说道。他还谈到了另一个非常重要的问题:“另一个问题就是加氢基础设施,也就是加氢站:如果在企业的生产过程中氢是一种废弃物或者在生产过程中已经用到了氢,则使用燃料电池叉车的情况就另当别论了。”

“加氢基础设施投资决策的标准是:在一个生产基地使用30辆以上的燃料电池叉车。另一个就是多班制生产和更换蓄电池的频率。”Hesse先生说。

作为一家叉车生产厂家,您如何从一般的角度和企业的角度评价燃料电池动力叉车的未来前景,尤其是与电动叉车和传统的内燃机叉车相比较时的未来前景?“目前我们看到了技术领域之间的激烈竞争:除了用于广泛的铅酸蓄电池驱动技术之外,锂离子蓄电池技术也在迎头赶上来了。在某些条件下,例如在仓储物流运输车队中,燃料电池动力系统是包括内燃机驱动叉车最佳的替代解决方案。”Thomas A. Fischer先生说道。

燃料电池动力系统的光明未来

“尤其是在减少或者降低二氧化碳排放的同时提高了叉车的利用率代表着燃料电池技术的优势。燃料电池技术今天遇到的障碍是氢的可用性和燃料电池叉车用户很高的基础设施投资。Still公司以后也会一如既往的为用户提供服务,并根据用户的使用要求为其提供最好的技术和燃料电池驱动解决方案。”

Weinberger先生强调说道:“燃料电池技术的未来是充满光明的。一旦我们成功的进一步提高能源利用率,就会使燃料电池驱动叉车的使用更加经济,也就能够提高能源结构的进一步转变。但这始终涉及到用户企业的具有应用,应优先考虑使用哪种能源。林德物料搬运集团公司追求的是TCO有机碳总量方法,并根据这一方法建议用户在整个使用寿命周期内将燃料电池叉车的运营成本降低到最低程度。”

图2 Crown公司已经在全球范围内销售了数千辆燃料电池叉车
图2 Crown公司已经在全球范围内销售了数千辆燃料电池叉车

对燃料电池叉车的需求在不断增长

“丰田集团公司2050年的目标之一就是将企业的二氧化碳排放降低到零排放。燃料电池技术可以帮助丰田公司实现这一目标。丰田公司已经在自己的生产厂中成功的使用了燃料电池堆垛叉车,并计划进一步扩大燃料电池叉车的使用范围。原则上讲,燃料电池驱动技术在市场中已是成熟的技术了。我们也看到了用户对燃料电池仓储物流运输车队的需求在不断增长。”Hesse先生强调说道。

“我们在全球范围内销售了数千辆燃料电池叉车。技术已经成熟、功能也非常齐全,在某些使用情况下已经成为电动叉车的最佳替代解决方案了。例如在室外运输笨重的物资时,尤其是室外没有充电桩的情况下。在这种工作情况下,燃料电池叉车的加氢只需3~4 min。Crown公司为所有想要使用燃料电池叉车的用户提供技术支持。所有使用蓄电池驱动的叉车都可以使用我们的燃料电池系统。另外,在美国使用燃料电池叉车还会得到美国政府的补贴。如果这种激励措施在经济上也是可行的,则欧洲政治家们也应该积极创造这样的框架条件。” Crown欧洲副总裁Ken Dufford先生说道。