氢燃料电池减少CO₂排放

使用氢燃料电池的电动商用车

航运和海港基础设施是温室气体(GHG)排放的重要来源。根据国际海事组织的数据，海上运输产生了超过9亿吨的二氧化碳₂每年。全球经济依赖海运将产品送到消费者手中，90%以上的外国货物通过集装箱船通过港口，但这对环境造成2022世界杯八强谁会赢？的损失是巨大的。而那些生活在繁忙海港附近的人，则暴露在港口商用车柴油发动机排放的危险水平的空气污染中。

例如，大型工业车辆称为容器处理程序从集装箱船上装卸集装箱。每个集装箱装卸机最多排放144吨二氧化碳₂每年，一个大型港口可以有数百台这样的机器。将一个集装箱装卸机中的柴油发动机换成绿色替代品，其效果相当于从我们的道路上删除32辆汽油驱动的乘用车。

从乘用车到长途卡车、火车头和重型设备，内燃机(ICEs)正在被更环保的替代品所取代。电池驱动的电动汽车已经成为人们关注的焦点，消费者在车型和充电地点都有越来越多的选择。但在港口，内燃机是重型工业车辆的柴油发动机，如堆场卡车、叉车和集装箱装卸车。电池和所需的充电基础设施并不适用于这些操作。

这就是燃料电池可以发挥作用的地方。

使电气化

燃料电池非常适合有重型设备的场所，这些场所必须长时间运行，加油的停机时间最小。给一个氢燃料电池充电的时间与给一个类似大小的油箱充电的时间差不多，而给重型电动汽车的电池充电则需要数小时。燃料电池提供的功率密度和里程需要车辆通过8小时的轮班。一家专注于商用汽车燃料电池技术的公司是Nuvera．

Nuvera Fuel cells公司的创始员工兼董事格斯•布洛克说:“燃料电池在需要长航程的情况下比电池更好，或者当电池充电时间太长时，它们更适合用于船只、飞机、卡车、公共汽车和应急响应车辆。”

布洛克说:“当电池太大，无法装在汽车上，或太重，会影响有效载荷时，也需要它们。”“例如，电动集装箱装卸机所需的电池有一头小象那么大。”

Nuvera的e系列燃料电池发动机之一。图片来源:Nuvera Fuel Cells。

一种不需要充电的电动替代品

燃料电池只产生热量和水，不产生废气。由于没有活动部件，它的设计原理很简单:在两个电极之间夹一个薄膜。当氢燃料遇到阳极时，它会分裂成一个质子和一个电子。质子穿过膜到达阴极，在那里它与氧气相遇。电子在电极之间走的路更长，在电路中穿行。电子的流动为电机提供动力。在阴极，质子、电子和氧结合形成水。

利用建模和实时仿真技术，Nuvera的工程师可以快速迭代设计，并在不让真正的发动机处于危险中的情况下进行试验。

科学很简单，但是完善高性能电源的配方却很难。燃料电池内部的多重反应由许多因素决定，软件控制系统必须考虑到所有这些因素，才能从设备中获得最大的能量和效率。控制系统根据反馈进行不断修正。

“最大的设计挑战之一是保持细胞适当的水合作用，”Pierre-François Quet说，Nuvera的总工程师。“没有足够的水和质子不能通过;太多的话，细胞就会泛滥。”

他们的系统通过改变冷却剂温度和操纵气流来增加或减少蒸发来管理水合作用。为了设计控制燃料电池发动机的软件，nuvera使用了MATLAB软件，该软件通常包括数百个燃料电池堆叠在一起，冷却剂在它们之间流动，外加一个冷却剂泵和一个空气压缩机^® 和仿真软件^®．一个燃料电池发动机的植物模型——包括控制电气和化学反应的方程式，以及水、气体和冷却器的温度和压力——也在Simulink中实现，Quet说。有了这种模拟，Nuvera编写算法来改进诸如冷却液流量等问题，以获得最佳性能。一旦算法最终确定，Simulink将其翻译成代码，并在嵌入在实际燃料电池发动机中的处理器上运行。

海斯特^®仅需容器处理程序。图片来源:歇斯底里-耶鲁集团。

控制算法也考虑了许多操作条件。在模拟中，Nuvera在低和高环境温度、低和高湿度环境中测试系统。

为了在更现实的环境中实验他们的算法，Nuvera进行了硬件在环测试:他们将他们的引擎模型加载到由Speedgoat制造的定制计算机上，该计算机经过定制，具有与物理引擎相同的输入和输出，并可以实时模拟其运行。运行燃料电池发动机的嵌入式计算机与“快羊”盒子相连，并由Simulink生成的C代码编写程序。

这种设置增加了严谨性，同时使Nuvera的工程师能够快速迭代他们的设计。它还允许在不将真正的引擎置于危险之中的情况下进行试验。

一种不同的混血儿

几乎所有的燃料电池汽车都是电混合的，由燃料电池和电池供电。在某些情况下，燃料电池提供涓滴充电以保持电池充满电，而在其他配置中，燃料电池和电池都通过电子总线为电机供电。电池也被用来接受车辆的再生电力，例如当叉车刹车或降低负载时。

奎特的团队首先必须在Simulink中建立一个锂离子电池的模型，基于制造商提供的数据和内部收集的数据。他们还编写了一种算法，可以根据他们所能测量到的东西(电压和电流)来估计电池的充电状态。然后他们使用Simulink来编写控制算法。系统需要保持一个理想的电池充电水平，这样总有足够的能量满足峰值负载，并有足够的容量重新吸收能量。Nuvera团队还通过在一系列模拟叉车和装载场景中测试算法，为各种系统组件设计了最佳尺寸。

两全其美

燃料电池与电池和内燃机有共同的优点。就像电池一样，它们可伸缩且安静，而且不会产生有害气体。但燃料电池汽车也能提供汽油和柴油动力内燃机汽车所拥有的长距离和快速加油时间。氢气可以在有压力的情况下储存在燃料箱中，这使得它比同等尺寸的电池含有更多的能量，所以你不必停下来充电或更换电池，你可以驾驶汽车的时间与电池驱动的同等时间一样长，甚至更长，只需要花几分钟就能给油箱加满油。

Nuvera燃料电池发动机的一个用途是其母公司歇斯底里-耶鲁集团生产的叉车。Nuvera还将其两个E-45燃料电池发动机集成到Hyster中^®将在洛杉矶港口使用的集装箱处理程序，类似于照片中显示的模型。仅在这辆车上用燃料电池驱动的电动传动系统替换了柴油发动机，128公吨的二氧化碳₂每年都可以避免。商用和工业车辆的柴油发动机是碳排放和降低空气质量的标准污染物的来源之一。Nuvera与其他制造商合作，使用燃料电池为公共汽车、火车和特种车辆充电，以显著减少它们的排放。