重型车辆排放了23%的运输温室气体，占美国每年消耗燃料的近四分之一信贷:Chris Bair/ Unsplash通过能源部国家实验室组成的联盟，橡树岭国家实验室的科学家们正在运用他们的专业知识提供解决方案，使重型车辆(或HDV)的无排放氢燃料电池技术商业化。作为以汽油为动力的内燃机的可行替代品，氢燃料电池可以提供可持续的清洁能源，并具有相当的用户体验。ORNL的大卫·卡伦是纳米材料科学中心的一名科学家，他利用先进的显微镜和显微镜技术研究燃料电池催化剂和电极结构。“氢燃料电池是卡车运输行业的理想选择，因为加油时间和行驶里程与汽油动力卡车相当，行驶路线也是可预测的，这降低了发展加油基础设施的障碍。”
氢燃料电池比锂电池或柴油燃料的单位质量能量更高。卡车可以在不显著增加重量的情况下获得更高的能量，这是具有重量处罚政策的长途卡车的一个重要考虑因素。
2020年10月，美国能源部氢气和燃料电池技术办公室(HFTO)发起了百万英里燃料电池卡车联盟(M2FCT)，通过研发支持燃料电池在高密度脂蛋白市场的应用机会，并与美国能源部的H2@Scale愿景保持一致，在多个经济领域提供清洁且负担得起的氢气。M2FCT由五个国家实验室组成，致力于满足卡车运输行业的效率、耐用性和成本要求。HFTO在五年内资助了5000万美元，该团队已经设定了2030年的目标，即展示具有25，000小时或100万英里寿命的长途卡车系统。
劳伦斯·伯克利国家实验室的科学家阿赫梅特·库索格卢说:“向氢燃料电池重型车辆过渡将对减少温室气体排放产生重大影响。Kusoglu指出，在美国，重型车辆只占车辆总里程的一小部分，行驶里程仅占年度总行驶里程的10%。但是，根据美国环境保护署的数据，它们造成了23%的运输温室气体排放，占美国每年燃料消耗的近四分之一
M2FCT团队在最近的《自然能源评论》文章中概述了该技术的当前和未来状态，并解决了重型车辆行业大规模采用该技术的挑战，包括卡车、公共汽车、火车和海洋应用。M2FCT的协调官卡伦是该论文的第一作者；合著者包括来自劳伦斯·伯克利国家实验室、洛斯阿拉莫斯国家实验室、国家可再生能源实验室和阿贡国家实验室的ORNL·卡伦·莫尔和M2FCT成员科学家。
卡伦说:“这个联合体有四大支柱:材料开发、部件集成、部件和燃料电池耐久性以及系统分析。“但它们相互啮合，相互依存。ORNL正通过我们的人物塑造工作在所有这些领域开展工作。”
ORNL纳米材料科学中心是美国能源部科学办公室的一个用户机构，该中心的负责人说，ORNL将利用其在燃料电池材料和部件的微观结构和微观化学分析方面的独特能力和专业知识，从宏观到原子层面更好地理解燃料电池的性能和耐久性问题。
“我们继续开发新的表征方法和数据分析，以深入了解重型应用中使用的燃料电池材料的行为，”她说。“ORNL提供了创新的方法来询问材料的结构、化学和性能，以便了解和解决性能和耐久性问题，从而开发具有优化性能的新材料。”
ORNL还提供卷对卷制造专业知识，将与NREL密切协调，以确定如何扩大膜电极组件的制造过程。卡伦说，该团队将专注于开发新的电子结构，这可以使用卷对卷工艺而不是传统的喷涂或墨水沉积工艺来实现。
M2FCT代表了燃料电池性能和耐用性联盟(FC-PAD)成立后的方向转变，该联盟专注于轻型车辆的燃料电池。
2019年末，美国能源部的HFTO与车辆技术办公室合作，发布了氢燃料长途牵引车拖车卡车(也称为8级长途卡车)的技术目标。这些目标启动了M2FCT研究人员现在通过指导早期研发而开始的工作。M2FCT最近发布的研究以8级长途卡车为例，展示了不同的设计特性如何影响效率和耐用性，以及如何利用轻型车辆的进步来满足重型车辆的要求。
氢燃料电池通过氢和氧之间的电化学反应发电，氢和氧结合产生电、热和水。一个燃料电池可以产生大约300瓦的功率；为了产生足够的能量来驱动汽车的电动机，燃料电池需要组合成一个燃料电池堆。
为了实现能源部氢燃料长途牵引车的目标，M2FCT的研究人员已经确定了为轻型车辆和重型车辆设计氢燃料电池的关键区别。根据ANL化学家黛博拉·迈尔斯的说法，查尔林格斯认为“重型车辆需要更高的电池电压来实现最佳效率，此外，与轻型车辆相比，所需的寿命要长三到五倍，这对燃料电池材料的性能和耐用性提出了更高的要求。”解决方案包括探索现有燃料电池组件材料如何在不同温度和湿度水平以及更高电池电压下运行和降解的材料研究，以及研究新材料集成如何应对这些挑战的开发。
M2FCT联盟汇集了与燃料电池效率和耐用性相关的不同专业领域，并与工业发展者进行交流。虽然该团队最初的重点是氢燃料长途牵引车，但M2FCT研究人员也对氢燃料电池在其他要求更高的重型应用中的潜在应用感到乐观，包括火车、海事甚至航空。
“氢是一种多功能的能量载体，它被封装在H2@Scale概念中。你可以用氢键储存能量，这对长期或季节性能量储存特别有意义。你可以在卡车或工业部门使用它，但你也可以把它转换回电能，然后输入电网，”卡伦说。“我们看到人们对氢作为能源载体的兴趣越来越大，而且不仅仅是用于汽车。”
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