車用燃料電池技術(shù)分析

姜大乾

摘?要：近年來(lái)，隨著科研技術(shù)人員對(duì)新能源汽車的不斷研發(fā)，車用燃料電池技術(shù)也同時(shí)不斷地更新?lián)Q代。其目的就是為了提升車用燃料電池的質(zhì)量，減少傳統(tǒng)汽車燃料消耗所帶來(lái)的環(huán)境污染。該文首先對(duì)廣泛使用的幾種車用電池在技術(shù)、優(yōu)缺點(diǎn)方面進(jìn)行了分析、比較；其次科學(xué)地分析了氫燃料電池的直排流通模式、死端模式，以及基于清潔能源的典型車用燃料系統(tǒng)——?dú)淙剂想姵貧錃夤?yīng)系統(tǒng)的工作原理和各項(xiàng)性能。通過(guò)對(duì)比，證明氫燃料電池氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的安全性、可靠性及其在目前車用燃料電池方向上具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)。最后該文對(duì)未來(lái)燃料電池的發(fā)展進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：燃料電池??氫燃料??氫氣供應(yīng)系統(tǒng)??電堆

中圖分類號(hào)：TP393????文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

Analysis?of?Fuel?Cell?Technology?for?Vehicles

JIANG?Daqian

（North?China?Electric?Power?University，?Beijing，?100096?China）

Abstract：?In?recent?years，?with?the?continuous?research?and?development?of?scientific?and?technical?personnel?to?new?energy?vehicles，?fuel?cell?technology?for?vehicles?is?also?constantly?updated，?and?its?purpose?is?to?improve?the?quality?of?vehicle?fuel?cells?and?reduce?the?environmental?pollution?caused?by?traditional?vehicle?fuel?consumption.?This?paper?first?analyzes?and?compares?the?techniques，?advantages?and?disadvantages?of?several?widely?used?automotive?batteries，?and?then?scientifically?analyzes?the?direct?flow?mode?and?dead-end?mode?of?hydrogen?fuel?cells?and?the?working?principle?and?all?the?performances?of?the?hydrogen?supply?system?of?hydrogen?fuel?cells，?a?typical?vehicle?fuel?system?based?on?clean?energy.?Through?comparison，?it?proves?the?safety?and?reliability?of?the?hydrogen?supply?system?of?hydrogen?fuel?cells?and?its?unique?advantages?in?the?current?direction?of?fuel?cells?for?vehicles.?Finally，?this?paper?prospects?the?development?of?fuel?cells?in?the?future.

Key?Words：?Fuel?cell;?Hydrogen?fuel;?Hydrogen?supply?system;?Fuel?cell?stack

隨著科技的進(jìn)步，國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)中車用燃料電池技術(shù)的研究得到了快速推進(jìn)。隨著國(guó)內(nèi)首批新能源汽車的出現(xiàn)，車用燃料技術(shù)也得到了創(chuàng)新發(fā)展的新機(jī)遇。各種新能源車用燃料電池的使用，不僅緩解了目前國(guó)內(nèi)多種能源不足的情況，而對(duì)于改善汽車尾氣造成的環(huán)境污染問(wèn)題也起到了積極的作用。運(yùn)用氫燃料等清潔能源開展新能源汽車電池的研發(fā)工作，是目前電動(dòng)汽車研制與車用電池研究方向上的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題。車用燃料電池技術(shù)的突破，不僅對(duì)當(dāng)前新能源汽車電池的研發(fā)工作影響很大，且對(duì)于未來(lái)新型汽車整體性能的提升，也起到了至關(guān)重要的作用。目前，全球經(jīng)濟(jì)處于特殊發(fā)展時(shí)期，受諸多因素的影響，國(guó)際間競(jìng)爭(zhēng)激烈。各國(guó)工業(yè)化進(jìn)程發(fā)展迅速，天然氣能源輸出受限，化石能源等不可再生能源消耗量巨大，造成汽車產(chǎn)業(yè)中車用燃料能源十分緊張。因此，利用新技術(shù)、新設(shè)備開發(fā)研制車用燃料電池等新產(chǎn)品的問(wèn)題，備受社會(huì)關(guān)注。氫能源作為21世紀(jì)最被社會(huì)各界看好、最具有發(fā)展?jié)摿Φ亩吻鍧嵞茉?，具有環(huán)保、清潔、來(lái)源廣、便于儲(chǔ)存等多項(xiàng)優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，它也是能源供應(yīng)安全保障戰(zhàn)略的首選，氫能源對(duì)于汽車新型燃料電池技術(shù)的研究，具有非常重要的意義。

1?車載電池性能比較

隨著傳統(tǒng)汽柴油汽車向新能源汽車的過(guò)渡，目前國(guó)內(nèi)使用的車載供電電池主要包括以下4種類型。其各具技術(shù)特點(diǎn)，在不同時(shí)期對(duì)于車載電池技術(shù)的發(fā)展，都起到了不同的推進(jìn)作用。

1.1鉛酸電池

這種電池出現(xiàn)得比較早，因此目前其在電動(dòng)車市場(chǎng)的占有率比較高，仍在九成以上。由于占據(jù)市場(chǎng)較早，其電池應(yīng)用技術(shù)也在不斷地得到升級(jí)和改良。隨著鉛酸電池應(yīng)用技術(shù)的突破，該電池自身性能顯著提高，儲(chǔ)能可達(dá)40?Wh/kg。鉛酸電池從早期300多次被使用，達(dá)到了目前4?000余次的再利用。我國(guó)在使用過(guò)的鉛酸電池回收率上，達(dá)到了九成以上。可見，回收再利用作為鉛酸電池的一個(gè)最大技術(shù)優(yōu)勢(shì)，對(duì)新能源汽車電池技術(shù)早期的發(fā)展起到了一定的影響作用。雖然鉛酸電池出現(xiàn)時(shí)間早，市場(chǎng)普及度高，但是鉛酸電池在研發(fā)技術(shù)方面比較陳舊，其電池性能比較低，而且電池內(nèi)的化學(xué)成分會(huì)對(duì)人類環(huán)境造成嚴(yán)重污染。隨著各種清潔能源電池的出現(xiàn)，其勢(shì)必會(huì)遭到淘汰。

1.2堿性電池

車用堿性電池以鎳氫電池、鎳鉻電池為代表。它們不會(huì)像鉛酸電池那樣，對(duì)環(huán)境造成嚴(yán)重污染。它們的工作原理主要是利用鎳基在堿性溶液中發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，通過(guò)電解反應(yīng)產(chǎn)生電能。該電解反應(yīng)不僅沒有有毒、有害物質(zhì)的產(chǎn)生，而且對(duì)于我們生活的環(huán)境污染也很小。同時(shí)，由于鎳氫、鎳鉻電池當(dāng)中含有大量的鎳、鉻等金屬元素，會(huì)使鎳氫電池、鎳鉻電池含有的電荷量較高，這就極大地提升了電池的功率和各項(xiàng)性能，增強(qiáng)了電池的充放電承受能力，延長(zhǎng)了電池的使用壽命長(zhǎng)。在新能源汽車車載電池的應(yīng)用方面，這種電池還是使用很廣泛的[1]。雖然鎳氫、鎳鉻電池有著自己獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，但是其技術(shù)短板在于該種電池放電時(shí)間較短，因此對(duì)汽車?yán)m(xù)航、汽車相關(guān)性能等方面都存在著不同的影響。此外，由于目前鎳鈷、鎳鉻的產(chǎn)量非常少，導(dǎo)致其生產(chǎn)、使用成本都比較高，直接影響了鎳鈷、鎳鉻在車用電池方面的技術(shù)研發(fā)和長(zhǎng)期使用。

1.3鋰離子電池

相對(duì)于鎳鈷、鎳鉻電池的高成本，價(jià)格成本不高的鋰離子電池在近些年得了廣泛應(yīng)用與發(fā)展。此外其產(chǎn)量逐年增加，搶占了市場(chǎng)上大部分鎳氫、鎳鉻電池的市場(chǎng)份額，并取代了它們的地位，成為接替鎳氫、鎳鉻電池的新能源汽車主導(dǎo)動(dòng)力源。鋰電池的優(yōu)勢(shì)在于其具有較高的能量密度和電壓指標(biāo)，在國(guó)防、工業(yè)以及日常生活方面都有著廣泛應(yīng)用。鋰電池有聚合物電解質(zhì)、液體電解質(zhì)兩個(gè)主要類型，它們主要通過(guò)電解液來(lái)進(jìn)行區(qū)分。聚合物電池的應(yīng)用相對(duì)廣泛，該類電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于其儲(chǔ)存能量大，電池自身重量輕，電池使用壽命長(zhǎng)，對(duì)于環(huán)境的污染性小。與同體積、重量的鎳氫電池相比，鋰電池的蓄電能力在鎳氫電池的2倍以上[2]。從理論的角度講，鋰電池的電池總電量仍有非常大的發(fā)展空間，作為一種無(wú)污染車載電池使用，對(duì)于開展環(huán)境保護(hù)的意義重大。但是，很多鋰電池受溫度影響較大，因此在一定層面上制約了其發(fā)展。

1.4?燃料電池

燃料電池包括正、負(fù)極和電解質(zhì)隔膜部分。在汽車制造業(yè)當(dāng)中，燃料電池被大規(guī)模推廣和使用，目前我國(guó)的燃料電池絕大多數(shù)使用的都是氫燃料電池。這種燃料電池功率很高、體積小、運(yùn)行安全可靠，只需要空氣和燃料就可提供一個(gè)很高的供電效率，并且不需要充電過(guò)程。由于使用了清潔材料，所以氫燃料電池對(duì)我們周邊環(huán)境的污染和影響幾乎為零。在目前國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)研究領(lǐng)域，技術(shù)人員把它作為新能源汽車動(dòng)力源首選。

2氫燃料電池系統(tǒng)

氫燃料電池系統(tǒng)由氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、電堆等模塊組成。在氫燃料電池的工作過(guò)程中，電堆的性能受到雜質(zhì)氣體、質(zhì)子交換膜的含水量等因素的影響，質(zhì)子交換膜的含水量過(guò)高，會(huì)出現(xiàn)水淹現(xiàn)象；如果交換膜的含水量過(guò)低，又會(huì)出現(xiàn)阻礙質(zhì)子輸運(yùn)的情況。同時(shí)，氣體雜質(zhì)在電堆陽(yáng)極不斷積聚，會(huì)阻礙催化劑層和氫氣的直接接觸，導(dǎo)致電堆電壓持續(xù)下降。因此，為了更好地把反應(yīng)過(guò)程中生成的雜質(zhì)氣體、水分快速、有效地排出，確保氫燃料電池安全高效運(yùn)行工作，通常使用氫氣循環(huán)的方式，及時(shí)把反應(yīng)過(guò)程中不需要的水、氣體雜質(zhì)排出。對(duì)于電堆陽(yáng)極出口殘留的一些沒有參加反應(yīng)的、濕潤(rùn)的氫氣，它們將通過(guò)氫氣再循環(huán)模式中的引射器、氫氣循環(huán)泵等循環(huán)設(shè)備再次被送回到陽(yáng)極進(jìn)口。此循壞過(guò)程反復(fù)進(jìn)行，最終實(shí)現(xiàn)氫氣利用效率提高、電池水熱管理能力優(yōu)化的目的。氫燃料電池供應(yīng)系統(tǒng)主要有氫氣直排流通模式、死端模式、再循環(huán)模式這3種模式[3]。

2.1?直排流通模式

氫燃料電池中的直排流通模式是一種最簡(jiǎn)單的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)模式，其工作原理如圖1?所示。儲(chǔ)存罐內(nèi)的氫氣在壓力調(diào)節(jié)閥的作用下，通過(guò)增濕器不斷持續(xù)地流入電堆陽(yáng)極，此過(guò)程對(duì)氫氣加濕的目的是防止干膜現(xiàn)象的發(fā)生。大部分氫氣在此過(guò)程中參與電堆的化學(xué)反應(yīng)當(dāng)中，并被消耗掉；與此同時(shí)，另一部分的氫氣從電堆陽(yáng)極出口，不經(jīng)過(guò)化學(xué)反應(yīng)直接排入外界環(huán)境當(dāng)中。該氫氣供應(yīng)系統(tǒng)的缺點(diǎn)是無(wú)氫循環(huán)組件，系統(tǒng)造價(jià)不高且簡(jiǎn)單。對(duì)于整個(gè)化學(xué)過(guò)程中沒有參加反應(yīng)的氫氣，將會(huì)被直接排放，顯然存在一定的安全隱患，并且還會(huì)降低電池的工作效率。此外，為防止干膜現(xiàn)象的出現(xiàn)，燃料電池在直排流通模式下運(yùn)行，需要額外配備加濕系統(tǒng)[4]。

2.2?死端模式

氫燃料電池的死端模式是一種非常典型的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)模式，死端模式工作原理如圖2所示。

通過(guò)觀察圖2可以發(fā)現(xiàn)，該模式的工作原理主要是將常閉吹掃電磁閥安置在了電堆陽(yáng)極的出口位置，以此來(lái)實(shí)現(xiàn)氫氣在電堆內(nèi)的長(zhǎng)時(shí)間停留，進(jìn)而提升氫氣在整個(gè)工作過(guò)程中的利用率。死端模式工作狀態(tài)下，反應(yīng)生成的液態(tài)水與占空氣主要成分的氮?dú)?、微量的稀有氣體以及其他多種雜質(zhì)氣體，都會(huì)經(jīng)過(guò)質(zhì)子交換膜擴(kuò)散到電堆陽(yáng)極之中。這種情況直接導(dǎo)致液態(tài)水和各類雜質(zhì)氣體在電堆陽(yáng)極的大量積聚，從而將氣體通道處堵塞，造成催化劑和氫氣之間達(dá)不到有效接觸，使電池電壓下降。因此，為了克服死端模式工作弊端，更好地實(shí)現(xiàn)氫氣在電堆內(nèi)的反應(yīng)，需要將該模式中運(yùn)行的燃料電池開展經(jīng)常性吹掃工作，把里面存留的液體水和各種雜質(zhì)氣體及時(shí)排出，從而保障電池的高性能工作狀態(tài)[5]。

通過(guò)對(duì)氫燃料電池在死端模式下運(yùn)行的特性反復(fù)研究。21世紀(jì)初，國(guó)外有學(xué)者發(fā)現(xiàn)了該模式下氫燃料電池的發(fā)電特性，具體采用的實(shí)驗(yàn)裝置如圖3所示。

當(dāng)燃料電池在死端模式下運(yùn)行時(shí)可開展實(shí)驗(yàn)，通過(guò)在電堆陽(yáng)極出口處安置了一個(gè)閥門，并保持整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中閥門處于關(guān)閉狀態(tài)。隨著電堆運(yùn)行開始，實(shí)驗(yàn)時(shí)間的不斷增加，陽(yáng)極出口會(huì)不斷積聚反應(yīng)生成的水，同時(shí)陰極空氣中所攜帶的氮?dú)鈺?huì)慢慢地滲透到陽(yáng)極之中，兩種現(xiàn)象會(huì)造成氫氣流道的堵塞，讓催化劑與氫氣之間不能充分地進(jìn)行化學(xué)反應(yīng)，造成電池電壓的不斷下降。該實(shí)驗(yàn)研究還發(fā)現(xiàn)，實(shí)驗(yàn)初期隨著氫的供給壓力增加，電池性能會(huì)出現(xiàn)短暫的改善情況，但隨著積累聚集的液態(tài)水與大量氮?dú)庾兊迷絹?lái)越多時(shí)，電池性能改善情況出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，并逐漸加速惡化。諸多其他國(guó)內(nèi)外學(xué)者通過(guò)對(duì)燃料電池運(yùn)行特性的研究，也一致認(rèn)為：死端模式下在電堆陽(yáng)極積聚大量的液態(tài)水、氮?dú)夂推渌s質(zhì)氣體，正是導(dǎo)致電池電壓快速下降的主要因素。

2.3?再循環(huán)模式

為了提高電池的性能，當(dāng)氫燃料電池工作時(shí)，一般會(huì)向電堆陽(yáng)極提供充足的氫氣。從理論上講，這些氫氣的真實(shí)流量會(huì)是理論流量的1.3倍左右?，F(xiàn)在所采用的再循環(huán)模式，正是利用了氫氣循環(huán)裝置，把堆積在電堆陽(yáng)極出口處的過(guò)量氫氣，通過(guò)循環(huán)的方式送回到電堆陽(yáng)極進(jìn)口位置，繼續(xù)重新參與化學(xué)反應(yīng)，以此反復(fù)來(lái)提高氫氣整體的利用率。同時(shí)，在氫氣的循環(huán)過(guò)程中，把陽(yáng)極累積的諸多雜質(zhì)氣體與水分一同排出，確保電堆運(yùn)行的高效性。就目前燃料電池發(fā)展與被利用的情況來(lái)看，燃料電池汽車中使用最多的氫氣供應(yīng)模式就是氫氣再循環(huán)模式，其工作原理如圖4所示。

再循環(huán)模式的最大優(yōu)點(diǎn)就是使提供的氫氣充分得到反應(yīng)，提高電堆的效率。但是，從客觀層面講，再循環(huán)模式也增加了氫氣循環(huán)的輔助設(shè)備，這就直接增加了燃料電池的質(zhì)量，也造成了燃料電池成本的提高[6]。

3?結(jié)語(yǔ)

隨著未來(lái)新能源動(dòng)力汽車的增加，燃料電池技術(shù)的研究、生產(chǎn)創(chuàng)新工作將會(huì)得到社會(huì)各界更多的關(guān)注和投入。車用燃料電池技術(shù)的創(chuàng)新與研究，也勢(shì)必會(huì)再次掀起新能源汽車技術(shù)研究與應(yīng)用的高潮，二者相輔相成，互相促進(jìn)發(fā)展。目前，新能源電動(dòng)汽車采用的氫燃料電池，相比于鎳氫電池、鋰電池等過(guò)去常用的車載電池，從綜合的角度來(lái)看，其在電池的理想性能方面還是遙遙領(lǐng)先的。相信未來(lái)的車用燃料電池必定會(huì)在電池的性能、使用效率方面取得更大的提高。同時(shí)希望車用燃料電池可以做到對(duì)周圍污環(huán)境的染控更小，符合綠色、環(huán)保的新型電池技術(shù)理念。

參考文獻(xiàn)

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