氫燃料電池挖掘機的關鍵技術及面臨問題研究

0 引言

在全球日益重視環(huán)境保護和可持續(xù)發(fā)展的背景下，氫能源作為清潔、高效的能源載體，在各領域的應用備受關注。工程機械行業(yè)是能源消耗以及碳排放的重要領域，積極探索氫能源應用意義重大。挖掘機作為工程機械中的重要成員，其作業(yè)強度大、能耗高，燃油消耗帶來的環(huán)境污染問題嚴重。因此，將氫燃料電池應用于挖掘機成為當前研究熱點。

本文深入研究氫燃料電池挖掘機的關鍵技術，從氫燃料電池工作原理、動力系統(tǒng)、能源供給等技術領域全面分析氫能源發(fā)展面臨的難題以及維護保養(yǎng)等方面的挑戰(zhàn)，為其進一步發(fā)展提供技術支持，以期推動氫能源在工程機械領域的廣泛應用和可持續(xù)發(fā)展[1]。

1氫燃料電池挖掘機基礎理論

1.1 氫燃料電池

1.1.1工作原理

氫燃料電池是基于電化學反應、將氫氣和氧氣的化學能直接轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置。在燃料電池內(nèi)，氫氣于陽極發(fā)生氧化反應，失去電子形成氫離子 （H⁺） ，電子經(jīng)外部電路流向陰極，氧氣在陰極經(jīng)還原反應，與電子、氫離子結(jié)合生成水。

1.1.2電極反應過程

氫燃料電池反應過程如下：氫氣進入陽極，與陽極催化劑反應釋放電子形成帶正電的氫原子，氫離子穿過電解液到達陰極，電子流入電路產(chǎn)生電能。氫氣分子在催化劑作用下分解為氫離子和電子形成電流。氧氣與氫離子、電子結(jié)合生成水，實現(xiàn)化學能到電能的轉(zhuǎn)化。氫燃料電池工作原理如圖1所示。

1.1.3能量轉(zhuǎn)化效率優(yōu)勢

與內(nèi)燃機相比，氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率高。內(nèi)燃機受熱力學第二定律限制，能量轉(zhuǎn)化效率通常為30%～40% ，且產(chǎn)生大量廢熱和污染物。然而，氫燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率可達 50%～60% ，甚至在部分優(yōu)化條件下其能量轉(zhuǎn)化效率更高，直接將化學能轉(zhuǎn)化為電能，減少中間能量損失，只產(chǎn)生水，環(huán)保優(yōu)勢顯著。

1.2氫燃料電池與挖掘機的適配性

1.2.1功率輸出與挖掘作業(yè)需求

挖掘機作業(yè)需要氫燃料電池供給其所需功率，以輸出挖掘、回轉(zhuǎn)、行走等動作。氫燃料電池輸出功率需與挖掘機負載特性相匹配。當前氫燃料電池功率密度不斷提高，通過合理系統(tǒng)設計和控制策略，可滿足挖掘機大部分工況的功率需求。若挖掘作業(yè)需較大功率時，可通過增加氫氣供應流量和調(diào)節(jié)反應條件來提高氫燃料電池的輸出功率；待機或輕載工況可降低氫氣供應，提高能源利用效率[2]。

1.2.2惡劣環(huán)境下的穩(wěn)定性

挖掘機經(jīng)常在高溫、高濕、粉塵等惡劣環(huán)境下作業(yè)，氫燃料電池需要良好環(huán)境適應性和穩(wěn)定性。在高溫環(huán)境下，氫燃料電池需要有效散熱，防止溫度過高影響其性能和壽命；在高濕和粉塵環(huán)境下，需設計防護措施，防正水分和粉塵進入電池內(nèi)部影響電極反應和正常運行。此外，還需優(yōu)化設計提高氫燃料電池的抗振性能，以適應作業(yè)過程中產(chǎn)生的振動和沖擊。

2氫燃料電池挖掘機的關鍵技術

2.1增程式動力系統(tǒng)

2.1.1氫燃料電池與動力電池協(xié)同運作

增程式動力系統(tǒng)是氫燃料電池挖掘機的重要技術方案，以太重TZ240EH型氫燃料挖掘機為例，其采用氫燃料電池與動力電池結(jié)合的增程式動力系統(tǒng)。太重氫燃料挖掘機如圖2所示。

在動力系統(tǒng)中，氫燃料電池是主要能量源，持續(xù)為挖掘機供電；動力電池發(fā)揮能量緩沖和補充作用。挖掘機啟動、加速或突發(fā)大功率需求時，動力電池快速放電，與氫燃料電池共同供能，滿足瞬時功率需求。穩(wěn)定運行或低功率需求時，氫燃料電池為動力電池充電，保持電量平衡。這種結(jié)合方式發(fā)揮兩者優(yōu)勢，保證挖掘機持續(xù)運行能力，提高系統(tǒng)功率響應性能和能源利用效率。

動力系統(tǒng)采用氫燃料電池和功率型動力電池組成的混動系統(tǒng)，電動機控制器驅(qū)動電動機運轉(zhuǎn)輸出動力，帶動液壓泵轉(zhuǎn)動，液壓油將動力傳到各執(zhí)行機構(gòu)實現(xiàn)功能動作。動力系統(tǒng)集成燃料電池、電動機、五合一電控，采用定制化能源管理系統(tǒng)（PMS），使系統(tǒng)更智能、安全，減少ECU控制邏輯。

2.1.2技術創(chuàng)新難點

在技術創(chuàng)新上，增程式動力系統(tǒng)需解決氫燃料電池和動力電池協(xié)同控制問題，通過先進控制算法和策略，依據(jù)挖掘機負載、氫氣剩余量、電池電量等參數(shù)，實時調(diào)整兩者輸出功率和充放電狀態(tài)，達到最佳動力性能和能源利用效率。還需優(yōu)化動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減小體積、減輕質(zhì)量，提高挖掘機整體性能。

然而該技術也面臨著一些挑戰(zhàn)，具體包括以下幾點：一是系統(tǒng)集成復雜，需整合氫燃料電池系統(tǒng)、動力電池系統(tǒng)、電動機驅(qū)動系統(tǒng)等子系統(tǒng)，確保兼容性和可靠性。二是成本問題，氫燃料電池和動力電池成本高，增加了增程式動力系統(tǒng)成本，限制大規(guī)模應用。三是氫燃料電池壽命和耐久性問題，長期運行中性能可能下降，需有效維護以延長使用壽命。

2.2氫能源供給技術

2.2.1綠氫制備方法與發(fā)展趨勢

綠氫由可再生能源電解水制得，生產(chǎn)過程幾乎無碳排放，前景廣闊。目前綠氫的主要制備方法有堿性水電解槽技術、質(zhì)子交換膜水電解槽技術和固體氧化物水電解槽技術。堿性水電解槽技術最成熟，成本低、可靠性高，但能量效率低。質(zhì)子交換膜水電解槽技術響應速度快、能量效率高、占地面積小，但成本高。固體氧化物水電解槽技術在高溫下運行，能量效率高，但處于研發(fā)階段。

隨著可再生能源技術發(fā)展和成本降低，綠氫制備成本有望下降。未來綠氫制備技術將朝高效、低成本、大規(guī)模方向發(fā)展，并與可再生能源發(fā)電耦合，如與風電、光伏發(fā)電結(jié)合，利用多余電能制氫，轉(zhuǎn)化和儲存可再生能源，提高能源利用效率和穩(wěn)定性。

2.2.2儲氫技術及其安全性

儲氫技術是氫能源應用關鍵，關系到氫燃料電池挖掘機續(xù)航能力和安全性。主要儲氫方式有高壓氣態(tài)儲氫、低溫液態(tài)儲氫和固態(tài)儲氫[3]。

高壓氣態(tài)儲氫應用最廣泛，技術成熟，但儲氫密度低，需高壓容器，有安全風險。低溫液態(tài)儲氫可提高儲氫密度，但需低溫和復雜絕熱設備，成本較高，液氫蒸發(fā)損失大。固態(tài)儲氫是新興技術，將氫氣吸附或儲存在固態(tài)材料中，儲氫密度高、安全性好，但技術不成熟，處于研發(fā)和示范階段。

在儲氫安全性方面，要采取系列措施。對儲氫容器嚴格設計和檢測，確保能承受高壓和極端環(huán)境。配備完善安全監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測氫氣壓力、溫度、泄漏等情況，異常時及時處理。還需制定嚴格安全操作規(guī)程和標準，加強人員培訓，提高安全意識，確保氫能源供給全過程安全可靠。

3氫燃料電池挖掘機面臨的問題

3.1氫能源供給難題

3.1.1不同氫源的特質(zhì)與局限性

目前氫源主要有灰氫、藍氫和綠氫。灰氫通過化石燃料（如煤炭、天然氣）重整制得，生產(chǎn)過程有大量二氧化碳排放，污染環(huán)境。雖制備技術成熟、成本低，但不符合低碳環(huán)保要求。藍氫在灰氫基礎上，通過碳捕獲與封存技術（CCS）減少二氧化碳排放，但生產(chǎn)成本高，且CCS技術應用有局限性。綠氫通過可再生能源電解水制得，零碳排放、可持續(xù)發(fā)展，但制備成本高、技術不成熟，大規(guī)模生產(chǎn)和應用有挑戰(zhàn)。

3.1.2綠氫市場化步伐遲緩

綠氫的市場化進程緩慢的原因包括以下幾點：一是技術成本高。由于可再生能源發(fā)電成本和電解水制氫設備成本高，導致綠氫生產(chǎn)成本高。二是缺乏完善產(chǎn)業(yè)鏈和基礎設施。綠氫生產(chǎn)、儲存、運輸和加注環(huán)節(jié)未形成完整產(chǎn)業(yè)鏈體系，加氫站等基礎設施建設滯后，限制了市場應用。三是政策支持力度不足。政府雖關注支持氫能源產(chǎn)業(yè)，但具體政策措施和資金投入需加強，推動產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展。四是市場需求和認知度低。氫燃料電池挖掘機等氫能源應用產(chǎn)品市場規(guī)模小，用戶對綠氫認知和接受程度低，對此需加強市場推廣和宣傳。

3.2氫燃料成本與維護保養(yǎng)問題

3.2.1成本構(gòu)成與降低成本策略

氫燃料電池挖掘機成本包括購置成本、使用成本和維護成本。購置成本方面，氫燃料電池和相關設備成本高，導致挖掘機整體售價高于傳統(tǒng)燃油挖掘機；使用成本方面，氫氣價格高、能量密度低，需較大儲存和運輸設備；維護成本方面，氫燃料電池維護技術要求高，需專業(yè)技術人員和設備。

降低成本策略如下：一是技術創(chuàng)新，研發(fā)和應用先進技術，提高氫燃料電池性能和壽命，降低制造成本；二是規(guī)模化生產(chǎn)，擴大市場規(guī)模實現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)，降低生產(chǎn)成本和設備價格；三是優(yōu)化供應鏈，加強與供應商合作，降低原材料采購成本和物流成本；四是政策支持，政府出臺補貼、稅收優(yōu)惠等政策，鼓勵企業(yè)研發(fā)生產(chǎn)，降低用戶購置和使用成本。

3.2.2維護保養(yǎng)的挑戰(zhàn)與解決方案

氫燃料電池挖掘機的維護保養(yǎng)面臨以下幾個挑戰(zhàn)：一是技術專業(yè)性強，相應技術規(guī)范不健全。氫燃料電池維護需專業(yè)知識和技能，專業(yè)維護保養(yǎng)人員短缺，且缺乏相應的技術規(guī)范。二是需配備價格昂貴的專門檢測、維修設備和工具。三是因市場規(guī)模小，零部件供應可能不及時，影響維修效率。

解決措施如下：一是加強技術培訓，培養(yǎng)專業(yè)維保人員，提高技術水平和維修能力。二是建立完善維護保養(yǎng)服務網(wǎng)絡，合理布局維修站點，配備必要設備和工具，提高維修服務及時性和便捷性。三是加強與零部件供應商合作，建立穩(wěn)定供應渠道，確保零部件及時供應。四是推動行業(yè)標準化建設，制定統(tǒng)一維護保養(yǎng)標準和規(guī)范，提高維護保養(yǎng)的質(zhì)量和水平。

4結(jié)束語

本文深入分析了氫燃料電池挖掘機的關鍵技術和面臨的挑戰(zhàn)。關鍵技術中，增程式動力系統(tǒng)及氫能源供給技術是核心。增程式動力系統(tǒng)通過氫燃料電池與動力電池結(jié)合，提高了動力性能和能源利用效率，但在系統(tǒng)集成、成本和壽命方面面臨挑戰(zhàn)。氫能源供給技術中，綠氫制備是發(fā)展方向，但面臨技術成本高和基礎設施不完善問題。發(fā)展面臨的問題主要是氫能源供給難題和成本與維保問題，需從技術創(chuàng)新、政策支持、市場培育等多方面解決[4]。

未來的研究可從以下方向展開：一是通過研發(fā)和應用新材料、新工藝，提高氫燃料電池能量轉(zhuǎn)化效率、穩(wěn)定性和使用壽命。二是加強加氫站布局規(guī)劃、建設技術和運營管理，提高氫能源供應的便利性和安全性。三是研究氫燃料電池挖掘機智能監(jiān)控和故障診斷技術，以提高運行效率，降低使用成本。四是開展氫燃料電池挖掘機應用研究，優(yōu)化系統(tǒng)設計和控制方法，提高適應性和競爭力。五是加強政策和市場研究，為其發(fā)展提供良好政策環(huán)境和市場支持，推動大規(guī)模商業(yè)化應用。總之，氫燃料電池挖掘機前景廣闊，隨著技術進步、政策和市場推動，必將為工程機械行業(yè)的發(fā)展做出新貢獻。

參考文獻

[1]林添良，陳其懷，付勝杰.電動挖掘機關鍵技術及應用[J].2020（8）：65-76.

[2]Xhbeijing.引領未來的綠色動力[EB/OL].氫能工程機械，https：//qingtx.cn/archives/9217.2024（1）.

[3]高繼，包忠峰，張宗輝.燃料電池系統(tǒng)中氫氣儲存與輸送技術的創(chuàng)新研究[D].2024（6）：16-18.

[4]張鴻雁，劉若琳，周鵬，等.氫能及其利用[J].數(shù)字化轉(zhuǎn)型賦能氫能技術創(chuàng)新，2024（8）：11-21.