氢燃料电池技术在汽车上的应用

随着环境污染和全球气候变暖，寻求一种新的能源取代传统化石燃料势在必行，氢燃料电池应运而生。对于氢燃料电池汽车，完善其配置和控制策略成为关键，对影响氢燃料电池性能的因素进行分析是攻坚克难的重要一步，通过氢传感器来感知氢燃料电池的实时状态以保证整个燃料电池系统长时间高效运行。关于氢燃料电池的最大转化效率问题，科学界一直存在争论，这也是燃料电池技术发展的一种驱动力，只有了解氢燃料电池汽车的现状才能更好展望未来，促进燃料电池汽车的长足发展。

1 影响氢燃料电池性能的因素[1]

为取代地球上日益减少的化石燃料，科学家进行了大量研究并提出很多可替代方法，在这些方法中，燃料电池可以从燃料的电化学反应中直接产生电能。

有限元分析方法自20世纪50年代在建筑工程领域首次提出以来，在其后的几十年间得到了长足发展并扩展应用到多个领域。作者Yilmaz主要从两方面来分析影响氢燃料电池的因素，同时在分析过程中也会涉及一些电子、物理和化学方面的定律。

首先，燃料电池的材料特性会影响质子交换膜(PEM)燃料电池的性能，这些材料特性主要包括以下几点：材料的电极导电性、质子交换膜厚度、质子交换膜可渗透性以及氢和氧的输入压力；其次，燃料电池所处的环境条件也影响燃料电池的性能，比如环境压力和大气压；在有限元分析方法中，必须首先设定模型的边界条件，为使质子交换膜燃料电池正常工作，为其所设置的边界条件包含如下：质量传输方程（反应物、水和氮气的麦克斯韦-史蒂夫扩散）和动量传输方程（气体流动的达西定则）；在有限元分析方法中，燃料电池模型包含三个部分：阳极、阴极以及质子交换膜。燃料电池的每一个电极包括气体分配器、进气口、出气口以及集电器，并且每一个电极（气体扩散层）都与气体分配器相接触，阳极和阴极具有相同的组成（图1）。

在25℃环境条件下，通过有限元分析方法搭建模型对6种不同的质子膜厚度和13种不同导电性的材料进行了实验分析，主要结论概况如下：

图1 燃料电池域和边界几何模型[1]

①根据阳极表面所获得的电流密度得出，燃料电池质子交换膜厚度越薄产生越强的供电效果

②根据所使用的电解液的导电性得出，电解液的选择主要取决于电解液材料的腐蚀时间

③腐蚀时间也决定了燃料电池的寿命

2 氢燃料电池中的主要传感器 [2]

化石燃料的燃烧带来了环境污染并且在很大程度上导致了全球气候变暖。氢气作为一种清洁燃料，在氧气中燃料最终生成水。

然而，氢气自身的一些缺点也限制了其在燃料电池中的应用。在燃料电池的正常工作过程中，氮气可能会扩散到整个电解质膜中，从而稀释了阳极室中的氢气浓度，最终导致燃料效率的降低。因此，保证燃料电池系统中具有足够的氢气浓度至关重要。另外，氢气的爆炸特性也限制了其在燃料电池中的应用。出于安全原因和技术方面的考虑，监测燃料电池系统中氢气的浓度从长远看来具有重要意义。国内外的科研人员也研制出了多种氢气传感器，其中最主要的传感器有两种：氢气泄露传感器、氢气供给传感器。

氢气具有很好的可燃特性：最小点火能量低（0.017 mJ）、燃烧范围广（4-75 vol%），燃烧温度为560℃。并且，氢气燃烧速度快，可渗透性强，无色无味，这就使得监测氢气是否泄露成为必要，氢气泄露传感器在燃料电池中氢气泄露时能立即发出警报。氢气泄露传感器能够对外界环境中的氢气浓度具有很强的选择性和灵敏度，监测限值通常固定在目标气体爆炸下限的50%左右（如空气中氢气的爆炸下限为4%）。

为使燃料电池中的能源转换效率达到最优，在高浓度范围内对氢气进行监测变得至关重要。氢气供给传感器必须对氢气浓度足够敏感，甚至可以监测到氢气浓度为100%时的情况，并且该传感器不受氢气饱和度的影响，当燃料供给过程中氢气浓度突然升高时，该传感器能够立即做出感知以保证整个系统长时间高效运行。意大利Messina大学Leonardi开发了氢双传感器（HDS），见图2。

图2 氢气泄露、供给传感器原理示意图[2]

3 关于氢燃料电池汽车性能的一份用户调查[3]

氢燃料电池汽车作为一种新能源汽车，自其在2000年投入市场以来一直受到广泛关注，但这种轻型汽车在市场上所占份额太小，针对其进行的专项调查研究也比较少。随着氢燃料电池技术的发展，氢燃料电池汽车的保有量也随之增加，并出现了各种车型。针对不断发展的全新局面，加州大学伯克利分校可持续交通研究中心的Timothy在旧金山港湾区进行了一次关于汽车性能的用户评价调查。被调查对象是一个由54名驾驶员组成的志愿者团队，他们驾驶氢燃料电池汽车进行了为期一个月的测试；测试中所使用的新能源汽车在实际道路环境中运行了两年以上的时间，本调查中所使用的测试车的车型为2010/2011款丰田汉兰达FCHV-adv，其可续航里程约为275英里。对每位驾驶员都会进行两次调查：驾驶新能源汽车之前的前期调查和驾驶完新能源汽车之后的后期调查，驾驶员平均每个月要行驶1 400英里的路程，并且在测试周期中应加注燃料3-10次。

本次调查的主要发现如下：

①80%的被调查者认为氢燃料电池汽车的性能超过甚至远超他们当初的预期

②98%的被调查者认为氢气作为汽车燃料比汽油安全或者更加安全

③94%的被调查者认为以氢气作为汽车燃料，其燃烧过程比汽油的燃烧过程安全或者更加安全

④85%的被调查者（他们亲自加注过燃料）认为燃料的加注过程十分简单或者非常简单

⑤62%的被调查者在行驶过程中由于缺乏氢燃料，至少放弃过一次，尽管他们之中有75%的人认为燃料是充足的或者基本是充足的

⑥当每英里的氢燃料成本与汽油成本大体相同的时候，75%的被调查者最多愿意为氢气加注基础设施的建设支付40 000美元。

4 关于氢燃料电池最大转换效率的讨论[4]

化石燃料的燃烧产生了大量的温室气体，同时，化石燃料的燃烧效率低，产生了大量的能量损失。氢气作为一种清洁燃料在未来几十年有望成为汽车燃料和工业燃料的替代品。

为提高或者使氢燃料电池系统的性能达到最优，对其能量转换效率进行深入研究势在必行。在科学界长期存在这样一种争论：影响燃料电池最大转换效率的决定因素是否受卡诺循环的限制。一方面，Lar⁃minie和Dicks将理想氢燃料电池的转换效率同卡诺循环进行了比较，最终结果表明前者的转换效率比后者更高，后者的转换效率取决于环境温度。Cengle和Boles在其热力学教材中指出卡诺循环并不适用于燃料电池。另一方面，Haynes，Lutz和Wright提出了反对意见，他们认为燃料电池效率的最大值受卡诺循环效率的限制。氢燃料电池原理如图3所示。

图3 氢燃料电池原理图[4]

科学家在前期的研究中应用到了不同的假设，因此，在他们的研究成果中会出现不同的表达形式。目前，对于可获取的燃料电池的最大效率并没有一个统一的定义，通常认为燃料电池的最大功为吉布斯自由能的改变量。即：

式中：∆H为反应物与生成物焓值差，T为反应温度，∆S为反应物与生成物熵值差，∆H和∆S均由环境温度T所决定。

Gaggioli和Dunbar认为上述公式的结果并不是燃料电池做功的最大值，因为此公式是假设燃料电池工作在恒温条件下获得的，但实际上一般的燃料电池并不是在绝热条件下工作的。Haynes和Linares将反应温度T以环境温度T0代替对上述公式进行了重新定义，然而，Wright和Ro以及Sohn将吉布斯自由能在标准条件下的变化解释为燃料电池所做的最大功。

5 氢燃料电池的现状及未来展望[5]

过去三十年间，氢燃料电池的发展给汽车消费者和汽车生产商带来了积极影响。汽车制造商的主要目标无非是在提高车辆可续航里程、提高能源效率的同时降低燃油消耗、减少尾气排放。同所有事物在曲折中发展一样，氢燃料电池汽车的发展也不是一帆风顺的。

为了降低燃料电池汽车的成本以提高其市场占有率，对氢气的制造、存储以及运输方法进行技术革新和优化至关重要。在2050年，如果以液体形式对氢气进行制造和运输，那么与今天的气化制氢以及将氢气以气体形式运输的方法相比，无疑会极大地降低氢气的成本。

在未来，氢燃料电池汽车的发展也会遇到很多阻碍，比如缺乏公共网络分布以及氢气在气化和液化阶段成本较高。正常情况下，建设一座日生产500 kg氢气的氢气站所需费用大约为240万美元，而建设一座日生产氢气1000 kg的氢气站所需费用增加到了570万美元。氢气站建设所需费用如此之高的一个原因便是其后期维护成本较高，比如后期需要建立过热保护和过充保护装置以提高其抵御风险的能力。如今丰田、本田、尼桑、现代、通用以及奔驰等汽车公司正在提高其燃料电池汽车的商用化范围，最大的发展瓶颈便是目前为氢燃料电池汽车所配备的基础设施还不够齐全，基础设施的分布也不够广泛，为了克服这些问题，美国加利福尼亚州对基础设施的配备问题进行了深入研究。与此同时，很多研究者认为要解决氢气站建设成本较高这一问题，至少还需要十年的时间。

此外，韩国政府打算到2020年在全国范围内建设100座氢气站。根据西班牙的一项调查研究，为了使燃料电池汽车在未来25年的保有量增加10%至20%，增加氢气站的数量以及对其合理选址无疑会成为一种有效方式。日本“氢气运动”财团打算到2021年在国内建设80座氢气站。中国深圳已经开始建设10座氢气站，总耗资预计高达1 970万元，这10座氢气站有望在2020年建设完毕并且预计在投产20年后收回成本。美国政府打算在加利福尼亚州建设一个大型清洁能源网络，该网络到2050年时预计包含10 000个氢气站。