氫能源動力系統(tǒng)及其應用于大型農(nóng)具上的相關綜述

孫浩洋

摘 要：當下，環(huán)境問題是全球的焦點問題，碳排放指標是衡量該問題嚴重與否的一大重要因素。作為碳排放貢獻量最大的主體之一，燃油汽車的能源動力改革迫在眉睫。目前，市面上不乏成功的新能源汽車，但除去各種代步車，功用車領域卻鮮為人們涉足。在以農(nóng)作物為主要經(jīng)濟來源的地區(qū)，各種煤油動力機械仍在田地里轟鳴。這顯然與當下低碳理念相悖。因此，本文通過對市面上已有的氫能源動力載具進行相關分析，得出結論，并以此對氫能源動力系統(tǒng)應用在大型農(nóng)具上的可行性進行對照分析。結果表明，市面上已有的氫能源動力系統(tǒng)可滿足多數(shù)大型農(nóng)具的工作要求。該項研究為后續(xù)新能源動力系統(tǒng)應用到各個大型機械上提供了一種參考。

關鍵詞：氫能 動力系統(tǒng) 大型農(nóng)具

1 引言

隨著全球環(huán)境惡化、煤炭資源短缺等問題日漸嚴峻，各式新能源被推入了討論范疇。氫能以其來源廣泛、靈活高效、零排放等特點，成為了全球能源技術革命的重要方向和各國未來能源戰(zhàn)略的重要組成部分，是推動能源結構向清潔化、低碳化轉型的重要途徑[1]。同時，氫能因其可活用于燃料電池，因此也被利用在各類載具的動力系統(tǒng)中。目前，較為成功的氫能源動力應用來自于豐田Mirai氫能源燃料電池混合動力系統(tǒng)汽車[2]，我國佛山市南海區(qū)也致力于氫能源有軌電車地下車站的設計探索[3]。可見，氫能源動力系統(tǒng)符合人們對新時代清潔能源的訴求，并處在飛速的探索期。

大型的農(nóng)具——如采摘機、耕種機、除草機等，目前仍以煤油為主要動力來源，不僅成本高、能量轉換效率低下，且同時伴隨著大量的污染物產(chǎn)出。這顯然與目前的發(fā)展趨勢相悖。考慮到氫能源成本低、零排放等優(yōu)點，將以氫能源為主的動力系統(tǒng)應用于大型農(nóng)具，具有很高的經(jīng)濟及環(huán)境效益。鑒于目前并無成熟的應用案例，本文將主要采取類比分析法，對照市面上已有的以氫能源為動力的載具，論證分析氫能源動力系統(tǒng)應用于大型農(nóng)具的可行性、優(yōu)缺點及發(fā)展前景。

2 氫能源動力系統(tǒng)開發(fā)及應用現(xiàn)狀

2.1 氫動力滑板車

來自哥倫比亞大學機械學院及電子學院的學者們經(jīng)過調(diào)查[4]，發(fā)現(xiàn)自2017年以來，由于交通擁堵，傳統(tǒng)燃料載具所造成的空氣污染加劇，其中發(fā)展中國家的空氣污染率最高（約占比70-80%）。世界銀行和聯(lián)合國警告說，該趨勢可能致使污染水平同比增加高達50%。2019年，在全球400多個城市進行了一項研究，發(fā)現(xiàn)班加拉魯（印度）、馬尼拉（菲律賓）和波哥大（哥倫比亞）的交通擁堵程度最高，交通擁堵程度高達60%。另外，雖然世界銀行在流動性問題嚴重的國家的交通運輸及能源環(huán)境問題方面投資了約5.7萬億美元，但無論是經(jīng)濟效益還是環(huán)境減負方面，似乎都未取得明顯效果。而解決這兩個問題的另一種選擇，是從根本上改變動力模式，即大力推展新能源電動系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)煤油燃料。

基于此，汽車制造商開發(fā)了新的架構來制造混合動力（HEV），插電式混合動力（PHEV）或電池電動汽車（BEV）等電動汽車。這些類型的電動汽車有助于減少污染，但交通擁堵問題仍未解決。其他交通工具，如自行車和踏板車的便利性便顯現(xiàn)出來了。與汽車相比，它們重量輕、能耗低、速度慢，占用的空間更小。預計這些交通工具可以極大的降低交通擁堵的程度。其中，電動自行車和電動滑板車的因其重量輕，功率大以及占用的空間較小而獲得了極大的普及。

然而，這類交通工具普遍存在續(xù)航問題。且由于電動滑板車的制造商眾多，使得他們的電池組件也不盡相同。目前，市面上最為流行的電動滑板車是帶有鋰離子電池（Li-ion）的電動滑板車，可以提供2.2至4.7 V的電壓。其他替代品是由鎳鎘（NiCd）或鎳氫（NiMH）制成的電池，它們分別可以提供1.2和1.3 V的電壓。而隨著對于氫能的探索日漸穩(wěn)定，其也成為了新的電池替代品。氫電池由三部分組成：陽極，陰極和電解膜。它的內(nèi)在原理就像傳統(tǒng)電池一樣：氫流向陽極，薄膜從原子中取出電子。電子被迫以電流的形式通過外部電路退出，而電離的氫向前進入陰極，在那里它與空氣中的氧氣相遇形成水分子。電荷由電池存儲，也可以直接發(fā)送到電動發(fā)動機以移動車輛。圖1顯示了這兩種技術的兩個體系結構之間的比較。其中A為傳統(tǒng)電池，B為氫氧燃料電池。

如圖1所示，A為使用電池的踏板車的示意圖結構。B為使用燃料電池的踏板車的示意圖結構。對比來看，燃料電池相較于電池作為一級供能源的區(qū)別在于多了一步由氫氧反應產(chǎn)生電能、而后儲存在電池棧里的過程。也就是說二者的主要區(qū)別并不在于電能的去向上，而是初始的動力來源的差異。故而該研究著眼于前半段氫氧反應產(chǎn)生電能、之后存儲到電池中的過程，稱之為燃料電池。

考慮到同等的單位氫儲存的能量是汽油的2.6倍，也就是說如果儲存或操作不當，可能會導致最致命的爆炸。所以該研究組采用同比例放縮法，制作了1：10比例的滑板車。在經(jīng)過分析、調(diào)試、組裝后，得到了實物以及一系列數(shù)據(jù)。得出了具有參考性的結論：一是氫電池每千克的比能量高于鋰離子電池（400MPa的氫氣罐為±35Wh/kg，350MPa的氫氣罐為±70Wh/kg，而鋰離子電池為±150Wh/kg）。然而，氫能源動力系統(tǒng)產(chǎn)生電流的效率很低。出于這個原因，氫電池必須以與電池的混合配置中使用，以能充分利用其能量潛力。二是燃料電池的續(xù)航與許多因素相關，其中，續(xù)航與滑板車的負重呈反比，與啟停、變速次數(shù)呈反比，這兩點可總結為滑板車啟停或是負重更多或形成更大的慣性力，致使燃料電池需要分出更多的動力來驅動，直接導致了總里程數(shù)的降低。三是通過研究不同測試中車輛的燃油效率，結果表明，與僅使用電池的車輛相比，氫電池的存在會產(chǎn)生更高的效率，提升在29%到171%之間。這是由于電池的控制系統(tǒng)根據(jù)在運行電池時移動車輛的能量要求優(yōu)化了要消耗的燃料、優(yōu)化了來自電池的輸入能量以及電池產(chǎn)生的能量，從而依照車輛的耗能需求供給電流。

以上三個結論對于氫能源動力系統(tǒng)應用于大型農(nóng)具，具有指導性意義。

2.2 豐田Mirai氫能源燃料電池混合動力汽車

Mirai沒有傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機，也沒有變速器，發(fā)動機艙內(nèi)部是驅動電動機及其動力控制單元。動力系統(tǒng)的布置方案如圖2所示，其中驅動電動機和動力控制單元布置于車輛前艙區(qū)域，燃料電池堆棧和燃料電池增壓轉換器布置于前排座椅下方，HV動力蓄電池組布置于座椅后方，兩個高壓儲氫罐布置于后排座椅下方。如圖2所示，高壓儲氫罐內(nèi)存儲的燃料是氫氣，壓力大約為70MPa，燃料電池堆棧作為豐田汽車公司研發(fā)的第一個量產(chǎn)的燃料電池，其體積能量密度達到3.1k W/L，輸出功率為114k W，燃料電池增壓轉換器運用高效緊湊的大容量升壓器，能夠將電壓升高至最大DC 650V，HV動力蓄電池組采用密封鎳錳金屬氫化物電池，用于回收制動時產(chǎn)生的再生能量，并在加速時輔助燃料電池堆棧供電，驅動電動機L（MG2）由燃料電池堆棧和HV動力蓄電池組供電，最大功率113kW，最大扭矩335N·m，動力控制單元用于當車輛行駛在不同的工況時控制HV蓄電池組充放電的控制策略。

豐田Mirai最核心的動力來源是由370片薄片燃料電池組成的氫燃料電池堆棧。一共可以輸出114kW的發(fā)電功率。與其名字中所帶的“燃燒”原理不同，雖然該燃料電池的能量來源依舊是氫氧反應，但燃燒過于劇烈且其反應進程難以控制，所以在該電池組中主要的產(chǎn)能原理是利用氫氣和氧氣的化學反應過程中的電荷的轉移來形成電流的。這一過程中最為關鍵的技術就是利用特殊的“質子交換薄膜”將氫氣拆分，質子交換薄膜也是燃料電池領域最難被攻克的技術壁壘。作為氫燃料電池的核心原材料，其性能的好壞直接決定著燃料電池的性能和使用壽命，因而也成為近年來研究的熱點[5]。目前，第二代Mirai所用的質子交換膜為增強版戈爾質子交換膜。該應用大大提升了新一代Mirai的性能，全新的質子交換膜厚度減少了30%，大大降低質子傳導阻力，降低歐姆極化，提升水汽傳導能力，從而使得電堆的運行性能和燃料效率更高了。該應用也使得新一代Mirai的最大燃料電池輸出功率達到了128千瓦（174馬力），燃料效率達到了152公里/千克氫氣燃料（基于WLTP，全球輕型車輛測試循環(huán)測定）。這意味著每次加滿氫氣的續(xù)航里程可高達850公里（參考值）。這一系列的改變提升，都代表著氫能源動力系統(tǒng)的應用更加成熟、更加具有競爭力。

除了氫燃料電池本身的技術足夠成熟，動力系統(tǒng)的總體布局合理外，其氫燃料電池的相關配套設施也十分完善。如圖3所示，是Mirai電池堆棧及燃料電池增壓轉換器。

綜上所述，Mirai汽車的燃料電池技術已經(jīng)基本成熟且可投入實際應用。對于可用于家用轎車的動力系統(tǒng)，該氫氧燃料動力系統(tǒng)滿足了：可攜帶的且穩(wěn)定性強安全系數(shù)足夠的儲氫容器、足夠高的電池可提供的單位體積能量密度及輸出功率。且對于該燃料電池堆棧，配套了回收制動時產(chǎn)生的再生能量系統(tǒng)、減輕堆棧負載的動力控制單元等等。為其余的以氫能源為核心動力的機械研發(fā)提供了指導性參考。

3 氫能源動力系統(tǒng)應用于大型農(nóng)具的適配性分析

大型農(nóng)具的種類繁多，例如各類農(nóng)作物的播種機采摘機、水稻播種機、除草機等等。雖然功能、目的各不相同，但在對于動力系統(tǒng)的需求上基本一致。目前大型農(nóng)具的動力來源仍維持在最原始的煤油上，與節(jié)能減排、低碳高效理念嚴重不符。考慮到目前對于氫能源動力系統(tǒng)應用于大型農(nóng)具的研究仍處于襁褓期，本章節(jié)將采用類比對照的方法，從動力需求、續(xù)航能力、動力系統(tǒng)覆蓋度等方面出發(fā)，討論二者適配性。

3.1 動力需求

2021年10月26日，在2021中國國際農(nóng)機展上，玉柴機器舉行了新品K16發(fā)布儀式[6]。K16發(fā)動機具備更大更強的動力裝置，其最高可達569.6 k W，可配套在多數(shù)大型高端農(nóng)機裝備上。搭載該發(fā)動機的重型拖拉機可實現(xiàn)0km/h—50km/h全程無極調(diào)速。對照來看，搭載在豐田Mirai上的燃料電池堆棧輸出功率為114k W最高時速可達到該重型拖拉機的二倍不止。同時，重型拖拉機自重通常在10t以上，而豐田Mirai的整車重為1900kg，考慮到參考文獻[4]中所得出的結論二，對于所需最高時速20km/h、重量遠小于重型拖拉機的大型農(nóng)具來說，市面上可達到的豐田Mirai燃料電池堆棧的輸出功率可滿足其動力需求。

3.2 續(xù)航能力

對于多數(shù)大型農(nóng)具來說，像采摘機、種苗機、除草機般的往復直線運動是常見的行進模式。其特點為不用急停急啟式的變速、行程距離短。而在家用轎車啟動停止時，往往伴隨著巨大的制動能量的損失。因此對于大型農(nóng)具來說，在此方面的能量損失將大大減少，對于電池的耗能也將降低。以豐田Mirai為例，其在2021年曾有消耗5.65公斤的氫氣行駛1360公里的記錄。據(jù)計算，耗能約為240公里/公斤。考慮到不同載具、不同行駛方式等均會導致每百公里的氫氣消耗量不同，該數(shù)據(jù)只用作參考。作為對比，假定目標農(nóng)戶的耕地（正方形）面積為3畝（2000平方米），耕作的間隔為2米，其耕地邊長約為45米，則完成一次耕地覆蓋的行進距離為990米。即便考慮到農(nóng)具工作時具有其他的能量消耗，豐田Mirai的車載電池也能完成大型農(nóng)具的多次工作循環(huán)。

3.3 機載氫能源動力系統(tǒng)布局

以豐田Mirai為例，其動力系統(tǒng)總成可概括為以下組分（圖4）：燃料電池堆棧、燃料電池升壓器、動力控制單元、驅動電機、高壓儲氫罐、動力電池。就所占面積而言，并不會對其應用在大型農(nóng)具上造成阻礙。但具體的放置位置、與農(nóng)具的功用性器具的聯(lián)動，是需要二次設計的。如由鎳錳電池組成的動力電池，需放置在可實現(xiàn)制動能量回收的位置，并與高壓儲氫罐相連，以實現(xiàn)在加速時輔助燃料電池供電。除此之外，考慮到普通氫氧反應時劇烈且不易控制，而大型農(nóng)具的應用場所并不像家用轎車般平坦且單一，所以在規(guī)劃動力系統(tǒng)的放置時應確保其工作場所的安全性。

3.4 安全性分析

對于機載氫能源動力系統(tǒng)的安全性，通過上分的分析研究，不難發(fā)現(xiàn)大型農(nóng)具對于動力的需求要遠低于家用代步轎車的需求。由于大型農(nóng)具并不追求較高的速度閾值、靈敏的變速需求，因此對于燃料電池本身的工作原理，市面上已有的技術可以充分滿足農(nóng)具的需求。但考慮到農(nóng)具通常需要進行較長時間的持續(xù)工作，且動力系統(tǒng)需要對采摘機械臂等功用性組件進行驅動，因此應避免硬件疲勞而導致的氫氣泄露等問題。邁阿密大學[7]試驗比較了分別使用氫氣和汽油為燃料的汽車在發(fā)生燃料泄漏及點燃后所存在的風險進行了對比分析。燃燒的情況如圖5所示。

燃料泄漏后，氫氣由于浮力的作用，其火焰幾乎是垂直向上的，進而沒有在車輛底部等相對狹窄的空間形成高濃度的可燃混合氣。而汽油車則由于車輛底部的汽油聚集而發(fā)生了劇烈燃燒。在二者泄露一分鐘后，氫能源汽車的整車仍基本完整，而傳統(tǒng)燃油汽車早已面目全非。因此，在氫能源動力系統(tǒng)應用在大型農(nóng)具上時，應盡量將儲氫罐及輸送氫氣的管道布局在載具的上半部，同時保證這些管道的金屬材料與氫氣的相容性，以確保足夠安全。

3.5 其他因素

除去以上所提三點，大型農(nóng)具裝載氫能源動力系統(tǒng)可行性較高的原因還有以下幾點：

（1）大型農(nóng)具無需考慮變速問題，對氫燃料電池所供給的動力只需分為用于行進的動力和用于功能性機構運轉的動力兩方面。相較于家用轎車，對于能量的去向較為簡單。該特點可簡化省略許多輔助結構。

（2）運用場所單一，對行進速度要求較低，故無需考慮超過速度閾值對動力系統(tǒng)造成過載，致使其使用壽命降低或是出現(xiàn)組件損耗等問題。

（3）除去氫能源動力系統(tǒng)本身是否適配于大型農(nóng)具，考慮該方案是否能投入實際生活，還需考慮如加氣站的建設、政府標化政策等外在因素。目前加氫站的建設成本高于成熟的加油站，且固定式加氫站建成后不可逆，故建設前需要充分考慮其選址的交通、市場、產(chǎn)業(yè)鏈協(xié)同、上游資源等要素[8]。綜上，目前經(jīng)濟效益、可行性高的方案是在鏈接多處農(nóng)場的交通樞紐處，依托原有加油站等建加氫站。

4 結論

本文針對氫能源動力系統(tǒng)應用于大型農(nóng)具的適配性及前景展開研究，主要成果如下：

（1）以市面上已有的氫能能源動力系統(tǒng)為研究對象，對其應用于不同載具的實例進行了分析，歸納了其主要原理以及搭載在不同載具上時所展現(xiàn)的不同的特性。

（2）運用類比對照法，從動力需求、續(xù)航能力、機載氫能源動力系統(tǒng)布局、安全性等方面，分析氫能源動力系統(tǒng)運用在大型農(nóng)具上的可行性。

市面上已有了成熟的以氫能源作為主要動力的實例，在安全性、環(huán)保問題、經(jīng)濟問題等方面均滿足人們對于新能源動力系統(tǒng)的需求及設想。其運用在大型農(nóng)具上的研究仍處于起步期，經(jīng)本文分析后，該研究在動力需求、續(xù)航能力等方面均具有很高的可行性。但對于實際應用的經(jīng)濟效益、供氣問題、維護問題等仍需深入探索。在倡導清潔能源替換化石能源、重視節(jié)能減排的當下，各式大型工具的動力系統(tǒng)向新能源方向轉型是大勢所趨。未來可在上述未量化的因素上進一步細化，以利于加快相關動力系統(tǒng)的轉型。

參考文獻：

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