氫燃料電池技術(shù)在汽車上的應(yīng)用

隨著環(huán)境污染和全球氣候變暖，尋求一種新的能源取代傳統(tǒng)化石燃料勢在必行，氫燃料電池應(yīng)運(yùn)而生。對于氫燃料電池汽車，完善其配置和控制策略成為關(guān)鍵，對影響氫燃料電池性能的因素進(jìn)行分析是攻堅(jiān)克難的重要一步，通過氫傳感器來感知?dú)淙剂想姵氐膶?shí)時狀態(tài)以保證整個燃料電池系統(tǒng)長時間高效運(yùn)行。關(guān)于氫燃料電池的最大轉(zhuǎn)化效率問題，科學(xué)界一直存在爭論，這也是燃料電池技術(shù)發(fā)展的一種驅(qū)動力，只有了解氫燃料電池汽車的現(xiàn)狀才能更好展望未來，促進(jìn)燃料電池汽車的長足發(fā)展。

1 影響氫燃料電池性能的因素[1]

為取代地球上日益減少的化石燃料，科學(xué)家進(jìn)行了大量研究并提出很多可替代方法，在這些方法中，燃料電池可以從燃料的電化學(xué)反應(yīng)中直接產(chǎn)生電能。

有限元分析方法自20世紀(jì)50年代在建筑工程領(lǐng)域首次提出以來，在其后的幾十年間得到了長足發(fā)展并擴(kuò)展應(yīng)用到多個領(lǐng)域。作者Yilmaz主要從兩方面來分析影響氫燃料電池的因素，同時在分析過程中也會涉及一些電子、物理和化學(xué)方面的定律。

首先，燃料電池的材料特性會影響質(zhì)子交換膜(PEM)燃料電池的性能，這些材料特性主要包括以下幾點(diǎn)：材料的電極導(dǎo)電性、質(zhì)子交換膜厚度、質(zhì)子交換膜可滲透性以及氫和氧的輸入壓力；其次，燃料電池所處的環(huán)境條件也影響燃料電池的性能，比如環(huán)境壓力和大氣壓；在有限元分析方法中，必須首先設(shè)定模型的邊界條件，為使質(zhì)子交換膜燃料電池正常工作，為其所設(shè)置的邊界條件包含如下：質(zhì)量傳輸方程（反應(yīng)物、水和氮?dú)獾柠溈怂鬼f-史蒂夫擴(kuò)散）和動量傳輸方程（氣體流動的達(dá)西定則）；在有限元分析方法中，燃料電池模型包含三個部分：陽極、陰極以及質(zhì)子交換膜。燃料電池的每一個電極包括氣體分配器、進(jìn)氣口、出氣口以及集電器，并且每一個電極（氣體擴(kuò)散層）都與氣體分配器相接觸，陽極和陰極具有相同的組成（圖1）。

在25℃環(huán)境條件下，通過有限元分析方法搭建模型對6種不同的質(zhì)子膜厚度和13種不同導(dǎo)電性的材料進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)分析，主要結(jié)論概況如下：

圖1 燃料電池域和邊界幾何模型[1]

①根據(jù)陽極表面所獲得的電流密度得出，燃料電池質(zhì)子交換膜厚度越薄產(chǎn)生越強(qiáng)的供電效果

②根據(jù)所使用的電解液的導(dǎo)電性得出，電解液的選擇主要取決于電解液材料的腐蝕時間

③腐蝕時間也決定了燃料電池的壽命

2 氫燃料電池中的主要傳感器 [2]

化石燃料的燃燒帶來了環(huán)境污染并且在很大程度上導(dǎo)致了全球氣候變暖。氫氣作為一種清潔燃料，在氧氣中燃料最終生成水。

然而，氫氣自身的一些缺點(diǎn)也限制了其在燃料電池中的應(yīng)用。在燃料電池的正常工作過程中，氮?dú)饪赡軙U(kuò)散到整個電解質(zhì)膜中，從而稀釋了陽極室中的氫氣濃度，最終導(dǎo)致燃料效率的降低。因此，保證燃料電池系統(tǒng)中具有足夠的氫氣濃度至關(guān)重要。另外，氫氣的爆炸特性也限制了其在燃料電池中的應(yīng)用。出于安全原因和技術(shù)方面的考慮，監(jiān)測燃料電池系統(tǒng)中氫氣的濃度從長遠(yuǎn)看來具有重要意義。國內(nèi)外的科研人員也研制出了多種氫氣傳感器，其中最主要的傳感器有兩種：氫氣泄露傳感器、氫氣供給傳感器。

氫氣具有很好的可燃特性：最小點(diǎn)火能量低（0.017 mJ）、燃燒范圍廣（4-75 vol%），燃燒溫度為560℃。并且，氫氣燃燒速度快，可滲透性強(qiáng)，無色無味，這就使得監(jiān)測氫氣是否泄露成為必要，氫氣泄露傳感器在燃料電池中氫氣泄露時能立即發(fā)出警報(bào)。氫氣泄露傳感器能夠?qū)ν饨绛h(huán)境中的氫氣濃度具有很強(qiáng)的選擇性和靈敏度，監(jiān)測限值通常固定在目標(biāo)氣體爆炸下限的50%左右（如空氣中氫氣的爆炸下限為4%）。

為使燃料電池中的能源轉(zhuǎn)換效率達(dá)到最優(yōu)，在高濃度范圍內(nèi)對氫氣進(jìn)行監(jiān)測變得至關(guān)重要。氫氣供給傳感器必須對氫氣濃度足夠敏感，甚至可以監(jiān)測到氫氣濃度為100%時的情況，并且該傳感器不受氫氣飽和度的影響，當(dāng)燃料供給過程中氫氣濃度突然升高時，該傳感器能夠立即做出感知以保證整個系統(tǒng)長時間高效運(yùn)行。意大利Messina大學(xué)Leonardi開發(fā)了氫雙傳感器（HDS），見圖2。

圖2 氫氣泄露、供給傳感器原理示意圖[2]

3 關(guān)于氫燃料電池汽車性能的一份用戶調(diào)查[3]

氫燃料電池汽車作為一種新能源汽車，自其在2000年投入市場以來一直受到廣泛關(guān)注，但這種輕型汽車在市場上所占份額太小，針對其進(jìn)行的專項(xiàng)調(diào)查研究也比較少。隨著氫燃料電池技術(shù)的發(fā)展，氫燃料電池汽車的保有量也隨之增加，并出現(xiàn)了各種車型。針對不斷發(fā)展的全新局面，加州大學(xué)伯克利分?？沙掷m(xù)交通研究中心的Timothy在舊金山港灣區(qū)進(jìn)行了一次關(guān)于汽車性能的用戶評價調(diào)查。被調(diào)查對象是一個由54名駕駛員組成的志愿者團(tuán)隊(duì)，他們駕駛氫燃料電池汽車進(jìn)行了為期一個月的測試；測試中所使用的新能源汽車在實(shí)際道路環(huán)境中運(yùn)行了兩年以上的時間，本調(diào)查中所使用的測試車的車型為2010/2011款豐田漢蘭達(dá)FCHV-adv，其可續(xù)航里程約為275英里。對每位駕駛員都會進(jìn)行兩次調(diào)查：駕駛新能源汽車之前的前期調(diào)查和駕駛完新能源汽車之后的后期調(diào)查，駕駛員平均每個月要行駛1 400英里的路程，并且在測試周期中應(yīng)加注燃料3-10次。

本次調(diào)查的主要發(fā)現(xiàn)如下：

①80%的被調(diào)查者認(rèn)為氫燃料電池汽車的性能超過甚至遠(yuǎn)超他們當(dāng)初的預(yù)期

②98%的被調(diào)查者認(rèn)為氫氣作為汽車燃料比汽油安全或者更加安全

③94%的被調(diào)查者認(rèn)為以氫氣作為汽車燃料，其燃燒過程比汽油的燃燒過程安全或者更加安全

④85%的被調(diào)查者（他們親自加注過燃料）認(rèn)為燃料的加注過程十分簡單或者非常簡單

⑤62%的被調(diào)查者在行駛過程中由于缺乏氫燃料，至少放棄過一次，盡管他們之中有75%的人認(rèn)為燃料是充足的或者基本是充足的

⑥當(dāng)每英里的氫燃料成本與汽油成本大體相同的時候，75%的被調(diào)查者最多愿意為氫氣加注基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)支付40 000美元。

4 關(guān)于氫燃料電池最大轉(zhuǎn)換效率的討論[4]

化石燃料的燃燒產(chǎn)生了大量的溫室氣體，同時，化石燃料的燃燒效率低，產(chǎn)生了大量的能量損失。氫氣作為一種清潔燃料在未來幾十年有望成為汽車燃料和工業(yè)燃料的替代品。

為提高或者使氫燃料電池系統(tǒng)的性能達(dá)到最優(yōu)，對其能量轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行深入研究勢在必行。在科學(xué)界長期存在這樣一種爭論：影響燃料電池最大轉(zhuǎn)換效率的決定因素是否受卡諾循環(huán)的限制。一方面，Lar?minie和Dicks將理想氫燃料電池的轉(zhuǎn)換效率同卡諾循環(huán)進(jìn)行了比較，最終結(jié)果表明前者的轉(zhuǎn)換效率比后者更高，后者的轉(zhuǎn)換效率取決于環(huán)境溫度。Cengle和Boles在其熱力學(xué)教材中指出卡諾循環(huán)并不適用于燃料電池。另一方面，Haynes，Lutz和Wright提出了反對意見，他們認(rèn)為燃料電池效率的最大值受卡諾循環(huán)效率的限制。氫燃料電池原理如圖3所示。

圖3 氫燃料電池原理圖[4]

科學(xué)家在前期的研究中應(yīng)用到了不同的假設(shè)，因此，在他們的研究成果中會出現(xiàn)不同的表達(dá)形式。目前，對于可獲取的燃料電池的最大效率并沒有一個統(tǒng)一的定義，通常認(rèn)為燃料電池的最大功為吉布斯自由能的改變量。即：

式中：?H為反應(yīng)物與生成物焓值差，T為反應(yīng)溫度，?S為反應(yīng)物與生成物熵值差，?H和?S均由環(huán)境溫度T所決定。

Gaggioli和Dunbar認(rèn)為上述公式的結(jié)果并不是燃料電池做功的最大值，因?yàn)榇斯绞羌僭O(shè)燃料電池工作在恒溫條件下獲得的，但實(shí)際上一般的燃料電池并不是在絕熱條件下工作的。Haynes和Linares將反應(yīng)溫度T以環(huán)境溫度T0代替對上述公式進(jìn)行了重新定義，然而，Wright和Ro以及Sohn將吉布斯自由能在標(biāo)準(zhǔn)條件下的變化解釋為燃料電池所做的最大功。

5 氫燃料電池的現(xiàn)狀及未來展望[5]

過去三十年間，氫燃料電池的發(fā)展給汽車消費(fèi)者和汽車生產(chǎn)商帶來了積極影響。汽車制造商的主要目標(biāo)無非是在提高車輛可續(xù)航里程、提高能源效率的同時降低燃油消耗、減少尾氣排放。同所有事物在曲折中發(fā)展一樣，氫燃料電池汽車的發(fā)展也不是一帆風(fēng)順的。

為了降低燃料電池汽車的成本以提高其市場占有率，對氫氣的制造、存儲以及運(yùn)輸方法進(jìn)行技術(shù)革新和優(yōu)化至關(guān)重要。在2050年，如果以液體形式對氫氣進(jìn)行制造和運(yùn)輸，那么與今天的氣化制氫以及將氫氣以氣體形式運(yùn)輸?shù)姆椒ㄏ啾?，無疑會極大地降低氫氣的成本。

在未來，氫燃料電池汽車的發(fā)展也會遇到很多阻礙，比如缺乏公共網(wǎng)絡(luò)分布以及氫氣在氣化和液化階段成本較高。正常情況下，建設(shè)一座日生產(chǎn)500 kg氫氣的氫氣站所需費(fèi)用大約為240萬美元，而建設(shè)一座日生產(chǎn)氫氣1000 kg的氫氣站所需費(fèi)用增加到了570萬美元。氫氣站建設(shè)所需費(fèi)用如此之高的一個原因便是其后期維護(hù)成本較高，比如后期需要建立過熱保護(hù)和過充保護(hù)裝置以提高其抵御風(fēng)險的能力。如今豐田、本田、尼桑、現(xiàn)代、通用以及奔馳等汽車公司正在提高其燃料電池汽車的商用化范圍，最大的發(fā)展瓶頸便是目前為氫燃料電池汽車所配備的基礎(chǔ)設(shè)施還不夠齊全，基礎(chǔ)設(shè)施的分布也不夠廣泛，為了克服這些問題，美國加利福尼亞州對基礎(chǔ)設(shè)施的配備問題進(jìn)行了深入研究。與此同時，很多研究者認(rèn)為要解決氫氣站建設(shè)成本較高這一問題，至少還需要十年的時間。

此外，韓國政府打算到2020年在全國范圍內(nèi)建設(shè)100座氫氣站。根據(jù)西班牙的一項(xiàng)調(diào)查研究，為了使燃料電池汽車在未來25年的保有量增加10%至20%，增加氫氣站的數(shù)量以及對其合理選址無疑會成為一種有效方式。日本“氫氣運(yùn)動”財(cái)團(tuán)打算到2021年在國內(nèi)建設(shè)80座氫氣站。中國深圳已經(jīng)開始建設(shè)10座氫氣站，總耗資預(yù)計(jì)高達(dá)1 970萬元，這10座氫氣站有望在2020年建設(shè)完畢并且預(yù)計(jì)在投產(chǎn)20年后收回成本。美國政府打算在加利福尼亞州建設(shè)一個大型清潔能源網(wǎng)絡(luò)，該網(wǎng)絡(luò)到2050年時預(yù)計(jì)包含10 000個氫氣站。