燃料電池在交通領域應用研究進展

上海市節能監察中心 任庚坡

隨著世界經濟的發展，汽車消費量逐漸增加，帶來了石油需求激增和環境惡化等問題，人類面臨著資源與環境的雙重壓力。從長遠利益看，發展新能源汽車是解決這些問題的有效途徑。所謂新能源汽車，是指全部或部分由電能驅動電機作為動力系統的汽車，包括純電動汽車、混合動力汽車、替代燃料汽車和燃料電池汽車四種類型。

質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）因其環境友好、壽命長、運行溫度低、比功率高、能量效率高、冷啟動快、結構緊湊、易維護等優點，特別適合作為移動電源，成為燃料電池開發的熱點。由于PEMFC以上的優點，將來很有希望代替內燃機成為汽車的發動機。PEMFC汽車具有以下優點：（1）燃料來源廣，可以利用生物質、核能、化石能源等制造氫作為燃料；（2）環境友好，運行時不排放 PM、SOx、NOx等有害物質，無CO2排放；（3）技術普及后可以進入家庭，有望進一步提高效率，降低能源消耗量。而立足于氫能基礎上的PEMFC汽車由于可以做到“零排放”，已成為世界公認的最理想的環保型汽車。美國能源局(US Department of Energy,DOE)和美國汽車業界在新一代汽車合作組織(Partnership for a New Generation of Vehicles,PNGV)的資助下合作開發了時速能達到80英里的六人座汽車，合作雙方投巨資研究和推進PEMFC技術作為交通運輸領域清潔、高效的替代技術。目前，美國汽車制造商在燃料電池技術領域取得了突飛猛進的進步，并對燃料電池汽車的市場化作了計劃。日本豐田、本田、日產汽車公司，德國西門子、奔馳、寶馬汽車公司，意大利DeNora公司在燃料電池汽車領域也各有建樹。

1 燃料處理

為除去PEMFC燃料中的有害氣體CO，Dudfield等[1]設計、制造和評估了應用于PEMFC系統結構緊湊的CO優先氧化反應堆。此堆成功地應用于20kWePEMFC系統甲醇蒸汽重整器中，使CO的濃度由2.7%降低到20ppm。Semelsberger和Borup[2]模擬研究了不同燃料對車用PEMFC系統氫產生的影響，比較了汽油、甲醇、乙醇、二甲醚和甲烷作為燃料時，燃料處理器的尺寸、啟動能量和50kWe燃料處理器的整體效率。甲醇、二甲醚、汽油、乙醇和甲烷作燃料時，燃料處理器的體積分別為 25.9L、30.8L、42.5L、43.7L 和 45.8L；燃料處理器的啟動能量分別為2717kJ、3423kJ、7068kJ、6632kJ和7592kJ；整體效率分別為 38.3%、38.5%、37%、34.5%和33.2%。

圖1為常見的燃料處理器的示意圖[2]，包括自熱反應堆(autothermal reactor,ATR)、高溫氣水轉換反應堆 (high-temperature water gas shift reactor,HTS)、低溫氣水轉換反應堆 (lowtemperature water gas shift reactor,LTS)和一氧化碳優先氧化反應堆 (preferential oxidation reactor,PrOx)，其尺寸為相對尺寸。ATR（體積占12.4%）對燃料進行部分氧化和蒸汽重整以產生富氫燃料蒸汽，但因CO的存在，此時的燃料蒸汽不能送進PEMFC[3]。HTS（體積占25.9%）和LTS（體積占49.4%）使CO通過氣水轉換反應轉變成氫，HTS使CO的含量降至4%以下，LTS進一步降低CO的含量至0.9%。PrOx（體積占12.4%）為燃料處理器的最后一段，可以使CO的含量降至約10ppm，滿足PEMFC燃料的標準。

2 實驗研究

Cleghorn等[4]描述了Los Alamos國家實驗室在PEMFC交通領域應用方面的研究工作。使用極低鉑載量、價格低廉的流場和雙極板，開發了低成本、高性能的氫或重整氣／空氣燃料電池堆。研究結果表明，就電流密度而言，直接甲醇燃料電池比現場甲醇重整燃料電池性能優越。Hwang等[5]描述了PEMFC系統的開發及其在“明道”輕型氫燃料電池汽車上的應用。此燃料電池系統包括5kW PEMFC堆、微型控制器和其他輔件，如氫壓縮缸、送風機、螺線管閥、壓力調整器、水泵、熱交換器和傳感器等。燃料電池不僅用來驅動汽車，還為輔件提供動力。此車行駛了100km，運行狀況良好，無污染物排放。測試結果表明，作為游園用燃料電池汽車，其燃料電池系統的效率超過30%，高于常規的內燃機的效率。

Pei等[6]基于帶有既作為載荷又作為測量裝置的功率計的內燃機實驗臺，建立了汽車燃料電池系統實驗臺，介紹了基于此實驗臺的實驗結果。此實驗系統中包含燃料電池發動機、直流／直流轉換器、帶有直流／交流轉換器的電動機。測試結果表明：產生50kW電功率時，燃料電池系統的電效率為41%(LHV)；電堆平均電壓為0.65V時，電池電流密度為400mA/cm2；此電池系統的最大機械能輸出功率和最佳燃料消耗量分別為41kW和102g/kWh。此實驗臺可以測評燃料電池系統的組成部件，如電池堆、發動機、直流／直流轉換器和電動機等，還可以在燃料電池系統安裝于汽車上之前方便地揭示出其電磁兼容性。Folkesson等[7]對混合動力燃料電池概念大巴進行了實驗研究，現場測試了不同運行工況下的能量流，介紹與討論了燃料電池系統和整個大巴系統的效率。此大巴以50kWe燃料電池系統作為動力，高壓蓄電池組作為能量緩沖器和輸出功率后備。燃料電池系統的凈效率約為40%，燃料效率介于42%～48%，低于當地的大巴，再生剎車系統節省了28%的能量。大巴子系統消耗燃料7%的能量或燃料電池系統輸出功率的17%。

3 模擬研究

燃料電池的數學模型對燃料電池堆的優化設計、負荷跟蹤特性和燃料電池在汽車領域中應用時輔助部件和系統的優化與控制，都是一個強有力的工具。

PEMFC是燃料電池汽車的關鍵單元之一，電池堆的優化及其負荷變化與跟蹤的動力學特性研究非常重要。任庚坡等[8]通過建立PEMFC全流場三維、兩相模型，模擬了PEMFC陰極側流道和氣體擴散層中水的質量濃度的分布，分析了氧化劑種類、反應氣體進氣速度、質子交換膜厚度、雙極板筋寬對PEMFC輸出性能的影響，確定了PEMFC最易出現極限電流密度的位置和提高其輸出性能的一些方法。Moore等[9]描述了直接氫燃料電池汽車負荷跟蹤的動態模擬工具，研究的重點是用汽車模擬工具模擬直接氫燃料電池系統，主要研究了負荷跟蹤直接氫模型特有的子系統，討論了燃料電池堆、空氣供應系統、水熱管理系統和氫供應系統等子系統，并對每個子系統進行了仿真工作。

PEMFC動力系統研究涉及整個系統的集成和優化。Maxoulis等[10]把一個描述燃料電池的模型嵌入到一個汽車模擬軟件－ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)中，這種耦合便于研究汽車運行時燃料電池的性能，研究過程中考慮了汽車運行時溫度的變化對燃料電池性能的影響，而且，這種方法可以用以研究改變燃料電池堆的一些設計參數，如最大電堆功率、催化劑活性、流道中的水含量等對電池整體性能和燃料電池汽車燃料消耗量的影響。Boettner和Moran[11]模擬研究了直接氫和現場甲醇重整PEMFC汽車的性能，發現控制輔助部件可以提供最大的優化機會，改善電池性能；直接氫供料系統比現場重整供料系統的燃料經濟性好很多。

Haraldsson和Wipke[12]研究了文獻中常見的PEMFC模型，以幫助讀者找到滿足他們模擬需求的模型。首先，介紹了選擇燃料電池模型的標準；其次，應用這些標準選擇了文獻中最先進的可以商業應用的模型，討論了這些商用模型的優勢和不足；最后，以美國國家可再生能源實驗室評估兩個相互獨立的燃料電池系統模型為例，說明了選擇燃料電池模型的過程和方法，并把這兩個模型嵌入到ADVISORTM2003中。

Caux等[13]介紹了控制PEMFC部件的模型的建模方法和控制定律的設計，認為燃料電池的陽極室和陰極室產生電壓，控制空氣和氫氣的流速和壓力。描述了一個交通用燃料電池汽車的結構。設計了兩個斷路器并對其加以控制以傳輸燃料電池和附加的電量存儲單元所需的電量。文中的模型和控制方案可以對實際運行的燃料電池汽車進行特點描述和系統控制調整。

4 環境與經濟性分析

Kazim[14]的研究認為，如果PEMFC汽車應用于交通領域，阿拉伯聯合酋長國將收到巨大的經濟和環境效益。首先，PEMFC汽車和傳統的內燃機汽車共存，以后逐漸增加燃料電池汽車的數量，直至2025年逐步取代內燃機汽車。研究結果表明，到2025年，如果不引入燃料電池汽車，常規的內燃機汽車將花費3.80×108美元，其污染物排放將達到2.4×108kg，在未來的20年中，將總共花費23×108美元，污染物排放共14.4×108kg。同時，PEMFC汽車每年的運行費用為5061美元，比內燃機汽車低近180美元。

Karlstr?m[15]量化介紹了2006年在瑞典一個城市的重點公交線路上，使用燃料電池大巴與使用EURO 5柴油機大巴和壓縮天然氣大巴相比當地環境的受益。以貨幣為尺度，評估了燃料電池大巴對環境中NOx的濃度、灰塵和噪聲污染的影響，估計了溫室氣體的排放的減少量。研究結果表明，雖然和每年投入購買燃料電池大巴的費用相比，用于治理不用燃料電池大巴導致的環境污染的花費不大，但作為向氫能經濟轉變的第一步，對燃料電池大巴的投入是值得的。

5 問題與挑戰

燃料電池汽車的開發取得了很大的成就，但在全面推廣此技術之前仍有很多問題需要考慮，還存在著一些問題需要解決。一是燃料處理和降低燃料電池系統的成本，這是開發燃料電池汽車遇到的最大挑戰；二是燃料電池汽車必須的燃料補給基礎設施建設，這是未能解決的問題之一；三是燃料電池本身的壽命的延長、費用降低、系統的優化、子系統設計、體積和重量的控制等。

6 結論與展望

PEMFC汽車的開發和商業運行對緩解和解決資源短缺、環境惡化等世界范圍內的問題有深遠意義。和實驗相結合，數學模型對燃料電池堆的設計、運行參數的優化、及其在汽車領域中應用時諸如空氣供應系統、水熱管理系統和燃料供應系統等輔助子系統的優化、系統參數及流程優化等來說，都是一個重要的工具，對PEMFC汽車的研發有非常重要的意義。數學模型應向三維、兩相、非等溫、暫態方向發展，并進一步發展車用燃料電池動力系統及其相關輔助子系統的模型，建模時應盡量減少簡化假設條件，以使仿真結果更接近于燃料電池汽車實際運行狀況。

PEMFC汽車的研發和商業應用是一個復雜的系統工程，對其的研究除了燃料電池本身，還應包括輔助子系統和整車系統的性能。燃料電池大巴將首先使燃料電池在汽車領域得以商業應用，因其對燃料電池的重量和體積的限制少，供料問題能通過集中的基礎結構得以解決。我國在燃料電池電流密度和單機功率方面已接近國際先進水平，隨著新能源汽車需求的日益增加，燃料電池的產業化勢在必行。近期燃料電池研究的目標應是進一步降低其成本，解決電池及附屬部件的小型化，并投入汽車領域實際運行。

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