車用燃料電池技術分析

姜大乾

摘?要：近年來，隨著科研技術人員對新能源汽車的不斷研發，車用燃料電池技術也同時不斷地更新換代。其目的就是為了提升車用燃料電池的質量，減少傳統汽車燃料消耗所帶來的環境污染。該文首先對廣泛使用的幾種車用電池在技術、優缺點方面進行了分析、比較；其次科學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——氫燃料電池氫氣供應系統的工作原理和各項性能。通過對比，證明氫燃料電池氫氣供應系統的安全性、可靠性及其在目前車用燃料電池方向上具有獨特優勢。最后該文對未來燃料電池的發展進行了展望。

關鍵詞：燃料電池??氫燃料??氫氣供應系統??電堆

中圖分類號：TP393????文獻標識碼：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

隨著科技的進步，國內汽車產業中車用燃料電池技術的研究得到了快速推進。隨著國內首批新能源汽車的出現，車用燃料技術也得到了創新發展的新機遇。各種新能源車用燃料電池的使用，不僅緩解了目前國內多種能源不足的情況，而對于改善汽車尾氣造成的環境污染問題也起到了積極的作用。運用氫燃料等清潔能源開展新能源汽車電池的研發工作，是目前電動汽車研制與車用電池研究方向上的一項關鍵技術問題。車用燃料電池技術的突破，不僅對當前新能源汽車電池的研發工作影響很大，且對于未來新型汽車整體性能的提升，也起到了至關重要的作用。目前，全球經濟處于特殊發展時期，受諸多因素的影響，國際間競爭激烈。各國工業化進程發展迅速，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，造成汽車產業中車用燃料能源十分緊張。因此，利用新技術、新設備開發研制車用燃料電池等新產品的問題，備受社會關注。氫能源作為21世紀最被社會各界看好、最具有發展潛力的二次清潔能源，具有環保、清潔、來源廣、便于儲存等多項優點。同時，它也是能源供應安全保障戰略的首選，氫能源對于汽車新型燃料電池技術的研究，具有非常重要的意義。

1?車載電池性能比較

隨著傳統汽柴油汽車向新能源汽車的過渡，目前國內使用的車載供電電池主要包括以下4種類型。其各具技術特點，在不同時期對于車載電池技術的發展，都起到了不同的推進作用。

1.1鉛酸電池

這種電池出現得比較早，因此目前其在電動車市場的占有率比較高，仍在九成以上。由于占據市場較早，其電池應用技術也在不斷地得到升級和改良。隨著鉛酸電池應用技術的突破，該電池自身性能顯著提高，儲能可達40?Wh/kg。鉛酸電池從早期300多次被使用，達到了目前4?000余次的再利用。我國在使用過的鉛酸電池回收率上，達到了九成以上。可見，回收再利用作為鉛酸電池的一個最大技術優勢，對新能源汽車電池技術早期的發展起到了一定的影響作用。雖然鉛酸電池出現時間早，市場普及度高，但是鉛酸電池在研發技術方面比較陳舊，其電池性能比較低，而且電池內的化學成分會對人類環境造成嚴重污染。隨著各種清潔能源電池的出現，其勢必會遭到淘汰。

1.2堿性電池

車用堿性電池以鎳氫電池、鎳鉻電池為代表。它們不會像鉛酸電池那樣，對環境造成嚴重污染。它們的工作原理主要是利用鎳基在堿性溶液中發生化學反應，通過電解反應產生電能。該電解反應不僅沒有有毒、有害物質的產生，而且對于我們生活的環境污染也很小。同時，由于鎳氫、鎳鉻電池當中含有大量的鎳、鉻等金屬元素，會使鎳氫電池、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性能，增強了電池的充放電承受能力，延長了電池的使用壽命長。在新能源汽車車載電池的應用方面，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特的優勢，但是其技術短板在于該種電池放電時間較短，因此對汽車續航、汽車相關性能等方面都存在著不同的影響。此外，由于目前鎳鈷、鎳鉻的產量非常少，導致其生產、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研發和長期使用。

1.3鋰離子電池

相對于鎳鈷、鎳鉻電池的高成本，價格成本不高的鋰離子電池在近些年得了廣泛應用與發展。此外其產量逐年增加，搶占了市場上大部分鎳氫、鎳鉻電池的市場份額，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動力源。鋰電池的優勢在于其具有較高的能量密度和電壓指標，在國防、工業以及日常生活方面都有著廣泛應用。鋰電池有聚合物電解質、液體電解質兩個主要類型，它們主要通過電解液來進行區分。聚合物電池的應用相對廣泛，該類電池的技術優勢在于其儲存能量大，電池自身重量輕，電池使用壽命長，對于環境的污染性小。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展空間，作為一種無污染車載電池使用，對于開展環境保護的意義重大。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展。

1.4?燃料電池

燃料電池包括正、負極和電解質隔膜部分。在汽車制造業當中，燃料電池被大規模推廣和使用，目前我國的燃料電池絕大多數使用的都是氫燃料電池。這種燃料電池功率很高、體積小、運行安全可靠，只需要空氣和燃料就可提供一個很高的供電效率，并且不需要充電過程。由于使用了清潔材料，所以氫燃料電池對我們周邊環境的污染和影響幾乎為零。在目前國內燃料電池技術研究領域，技術人員把它作為新能源汽車動力源首選。

2氫燃料電池系統

氫燃料電池系統由氫氣供應系統、電堆等模塊組成。在氫燃料電池的工作過程中，電堆的性能受到雜質氣體、質子交換膜的含水量等因素的影響，質子交換膜的含水量過高，會出現水淹現象；如果交換膜的含水量過低，又會出現阻礙質子輸運的情況。同時，氣體雜質在電堆陽極不斷積聚，會阻礙催化劑層和氫氣的直接接觸，導致電堆電壓持續下降。因此，為了更好地把反應過程中生成的雜質氣體、水分快速、有效地排出，確保氫燃料電池安全高效運行工作，通常使用氫氣循環的方式，及時把反應過程中不需要的水、氣體雜質排出。對于電堆陽極出口殘留的一些沒有參加反應的、濕潤的氫氣，它們將通過氫氣再循環模式中的引射器、氫氣循環泵等循環設備再次被送回到陽極進口。此循壞過程反復進行，最終實現氫氣利用效率提高、電池水熱管理能力優化的目的。氫燃料電池供應系統主要有氫氣直排流通模式、死端模式、再循環模式這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單的氫氣供應系統模式，其工作原理如圖1?所示。儲存罐內的氫氣在壓力調節閥的作用下，通過增濕器不斷持續地流入電堆陽極，此過程對氫氣加濕的目的是防止干膜現象的發生。大部分氫氣在此過程中參與電堆的化學反應當中，并被消耗掉；與此同時，另一部分的氫氣從電堆陽極出口，不經過化學反應直接排入外界環境當中。該氫氣供應系統的缺點是無氫循環組件，系統造價不高且簡單。對于整個化學過程中沒有參加反應的氫氣，將會被直接排放，顯然存在一定的安全隱患，并且還會降低電池的工作效率。此外，為防止干膜現象的出現，燃料電池在直排流通模式下運行，需要額外配備加濕系統[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系統模式，死端模式工作原理如圖2所示。

通過觀察圖2可以發現，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極的出口位置，以此來實現氫氣在電堆內的長時間停留，進而提升氫氣在整個工作過程中的利用率。死端模式工作狀態下，反應生成的液態水與占空氣主要成分的氮氣、微量的稀有氣體以及其他多種雜質氣體，都會經過質子交換膜擴散到電堆陽極之中。這種情況直接導致液態水和各類雜質氣體在電堆陽極的大量積聚，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，更好地實現氫氣在電堆內的反應，需要將該模式中運行的燃料電池開展經常性吹掃工作，把里面存留的液體水和各種雜質氣體及時排出，從而保障電池的高性能工作狀態[5]。

通過對氫燃料電池在死端模式下運行的特性反復研究。21世紀初，國外有學者發現了該模式下氫燃料電池的發電特性，具體采用的實驗裝置如圖3所示。

當燃料電池在死端模式下運行時可開展實驗，通過在電堆陽極出口處安置了一個閥門，并保持整個實驗過程中閥門處于關閉狀態。隨著電堆運行開始，實驗時間的不斷增加，陽極出口會不斷積聚反應生成的水，同時陰極空氣中所攜帶的氮氣會慢慢地滲透到陽極之中，兩種現象會造成氫氣流道的堵塞，讓催化劑與氫氣之間不能充分地進行化學反應，造成電池電壓的不斷下降。該實驗研究還發現，實驗初期隨著氫的供給壓力增加，電池性能會出現短暫的改善情況，但隨著積累聚集的液態水與大量氮氣變得越來越多時，電池性能改善情況出現了反轉，并逐漸加速惡化。諸多其他國內外學者通過對燃料電池運行特性的研究，也一致認為：死端模式下在電堆陽極積聚大量的液態水、氮氣和其他雜質氣體，正是導致電池電壓快速下降的主要因素。

2.3?再循環模式

為了提高電池的性能，當氫燃料電池工作時，一般會向電堆陽極提供充足的氫氣。從理論上講，這些氫氣的真實流量會是理論流量的1.3倍左右。現在所采用的再循環模式，正是利用了氫氣循環裝置，把堆積在電堆陽極出口處的過量氫氣，通過循環的方式送回到電堆陽極進口位置，繼續重新參與化學反應，以此反復來提高氫氣整體的利用率。同時，在氫氣的循環過程中，把陽極累積的諸多雜質氣體與水分一同排出，確保電堆運行的高效性。就目前燃料電池發展與被利用的情況來看，燃料電池汽車中使用最多的氫氣供應模式就是氫氣再循環模式，其工作原理如圖4所示。

再循環模式的最大優點就是使提供的氫氣充分得到反應，提高電堆的效率。但是，從客觀層面講，再循環模式也增加了氫氣循環的輔助設備，這就直接增加了燃料電池的質量，也造成了燃料電池成本的提高[6]。

3?結語

隨著未來新能源動力汽車的增加，燃料電池技術的研究、生產創新工作將會得到社會各界更多的關注和投入。車用燃料電池技術的創新與研究，也勢必會再次掀起新能源汽車技術研究與應用的高潮，二者相輔相成，互相促進發展。目前，新能源電動汽車采用的氫燃料電池，相比于鎳氫電池、鋰電池等過去常用的車載電池，從綜合的角度來看，其在電池的理想性能方面還是遙遙領先的。相信未來的車用燃料電池必定會在電池的性能、使用效率方面取得更大的提高。同時希望車用燃料電池可以做到對周圍污環境的染控更小，符合綠色、環保的新型電池技術理念。

參考文獻

[1]?謝靜，于群.基于模糊神經網絡電動汽車電池故障診斷研究[J].中國新技術新產品，2022（6）：20-23.

[2]?張立新，李建，李瑞懿，等.車用燃料電池氫氣供應系統研究綜述[J].工程熱物理學報，2022，43（6）：1444-1459.

[3]?謝雨岑.基于深度學習的燃料電池性能衰退預測研究[D].成都：電子科技大學，2021.

[4]?江境宏，明志茂，趙可淪，等.動力電池系統檢測評價標準體系探討與檢測關鍵技術分析[J].電子測量技術，2022，45（4）：45-52.

[5]?展靖華，連文香.燃料電池新能源汽車的創新分析及探索[J].中國設備工程，2022（16）：250-252.

[6]?劉小敏，張邦強，艾斌，等.質子交換膜燃料電池用氫質量標準的發展歷程和現狀[J].化工進展，2021（2）：703-708.