车用燃料电池技术分析

姜大乾

摘 要：近年来，随着科研技术人员对新能源汽车的不断研发，车用燃料电池技术也同时不断地更新换代。其目的就是为了提升车用燃料电池的质量，减少传统汽车燃料消耗所带来的环境污染。该文首先对广泛使用的几种车用电池在技术、优缺点方面进行了分析、比较；其次科学地分析了氢燃料电池的直排流通模式、死端模式，以及基于清洁能源的典型车用燃料系统——氢燃料电池氢气供应系统的工作原理和各项性能。通过对比，证明氢燃料电池氢气供应系统的安全性、可靠性及其在目前车用燃料电池方向上具有独特优势。最后该文对未来燃料电池的发展进行了展望。

关键词：燃料电池  氢燃料  氢气供应系统  电堆

中图分类号：TP393    文献标识码：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

隨着科技的进步，国内汽车产业中车用燃料电池技术的研究得到了快速推进。随着国内首批新能源汽车的出现，车用燃料技术也得到了创新发展的新机遇。各种新能源车用燃料电池的使用，不仅缓解了目前国内多种能源不足的情况，而对于改善汽车尾气造成的环境污染问题也起到了积极的作用。运用氢燃料等清洁能源开展新能源汽车电池的研发工作，是目前电动汽车研制与车用电池研究方向上的一项关键技术问题。车用燃料电池技术的突破，不仅对当前新能源汽车电池的研发工作影响很大，且对于未来新型汽车整体性能的提升，也起到了至关重要的作用。目前，全球经济处于特殊发展时期，受诸多因素的影响，国际间竞争激烈。各国工业化进程发展迅速，天然气能源输出受限，化石能源等不可再生能源消耗量巨大，造成汽车产业中车用燃料能源十分紧张。因此，利用新技术、新设备开发研制车用燃料电池等新产品的问题，备受社会关注。氢能源作为21世纪最被社会各界看好、最具有发展潜力的二次清洁能源，具有环保、清洁、来源广、便于储存等多项优点。同时，它也是能源供应安全保障战略的首选，氢能源对于汽车新型燃料电池技术的研究，具有非常重要的意义。

1 车载电池性能比较

随着传统汽柴油汽车向新能源汽车的过渡，目前国内使用的车载供电电池主要包括以下4种类型。其各具技术特点，在不同时期对于车载电池技术的发展，都起到了不同的推进作用。

1.1铅酸电池

这种电池出现得比较早，因此目前其在电动车市场的占有率比较高，仍在九成以上。由于占据市场较早，其电池应用技术也在不断地得到升级和改良。随着铅酸电池应用技术的突破，该电池自身性能显著提高，储能可达40 Wh/kg。铅酸电池从早期300多次被使用，达到了目前4 000余次的再利用。我国在使用过的铅酸电池回收率上，达到了九成以上。可见，回收再利用作为铅酸电池的一个最大技术优势，对新能源汽车电池技术早期的发展起到了一定的影响作用。虽然铅酸电池出现时间早，市场普及度高，但是铅酸电池在研发技术方面比较陈旧，其电池性能比较低，而且电池内的化学成分会对人类环境造成严重污染。随着各种清洁能源电池的出现，其势必会遭到淘汰。

1.2碱性电池

车用碱性电池以镍氢电池、镍铬电池为代表。它们不会像铅酸电池那样，对环境造成严重污染。它们的工作原理主要是利用镍基在碱性溶液中发生化学反应，通过电解反应产生电能。该电解反应不仅没有有毒、有害物质的产生，而且对于我们生活的环境污染也很小。同時，由于镍氢、镍铬电池当中含有大量的镍、铬等金属元素，会使镍氢电池、镍铬电池含有的电荷量较高，这就极大地提升了电池的功率和各项性能，增强了电池的充放电承受能力，延长了电池的使用寿命长。在新能源汽车车载电池的应用方面，这种电池还是使用很广泛的[1]。虽然镍氢、镍铬电池有着自己独特的优势，但是其技术短板在于该种电池放电时间较短，因此对汽车续航、汽车相关性能等方面都存在着不同的影响。此外，由于目前镍钴、镍铬的产量非常少，导致其生产、使用成本都比较高，直接影响了镍钴、镍铬在车用电池方面的技术研发和长期使用。

1.3锂离子电池

相对于镍钴、镍铬电池的高成本，价格成本不高的锂离子电池在近些年得了广泛应用与发展。此外其产量逐年增加，抢占了市场上大部分镍氢、镍铬电池的市场份额，并取代了它们的地位，成为接替镍氢、镍铬电池的新能源汽车主导动力源。锂电池的优势在于其具有较高的能量密度和电压指标，在国防、工业以及日常生活方面都有着广泛应用。锂电池有聚合物电解质、液体电解质两个主要类型，它们主要通过电解液来进行区分。聚合物电池的应用相对广泛，该类电池的技术优势在于其储存能量大，电池自身重量轻，电池使用寿命长，对于环境的污染性小。与同体积、重量的镍氢电池相比，锂电池的蓄电能力在镍氢电池的2倍以上[2]。从理论的角度讲，锂电池的电池总电量仍有非常大的发展空间，作为一种无污染车载电池使用，对于开展环境保护的意义重大。但是，很多锂电池受温度影响较大，因此在一定层面上制约了其发展。

1.4 燃料电池

燃料电池包括正、负极和电解质隔膜部分。在汽车制造业当中，燃料电池被大规模推广和使用，目前我国的燃料电池绝大多数使用的都是氢燃料电池。这种燃料电池功率很高、体积小、运行安全可靠，只需要空气和燃料就可提供一个很高的供电效率，并且不需要充电过程。由于使用了清洁材料，所以氢燃料电池对我们周边环境的污染和影响几乎为零。在目前国内燃料电池技术研究领域，技术人员把它作为新能源汽车动力源首选。

2氢燃料电池系统

氢燃料电池系统由氢气供应系统、电堆等模块组成。在氢燃料电池的工作过程中，电堆的性能受到杂质气体、质子交换膜的含水量等因素的影响，质子交换膜的含水量过高，会出现水淹现象；如果交换膜的含水量过低，又会出现阻碍质子输运的情况。同时，气体杂质在电堆阳极不断积聚，会阻碍催化剂层和氢气的直接接触，导致电堆电压持续下降。因此，为了更好地把反应过程中生成的杂质气体、水分快速、有效地排出，确保氢燃料电池安全高效运行工作，通常使用氢气循环的方式，及时把反应过程中不需要的水、气体杂质排出。对于电堆阳极出口残留的一些没有参加反应的、湿润的氢气，它们将通过氢气再循环模式中的引射器、氢气循环泵等循环设备再次被送回到阳极进口。此循坏过程反复进行，最终实现氢气利用效率提高、电池水热管理能力优化的目的。氢燃料电池供应系统主要有氢气直排流通模式、死端模式、再循环模式这3种模式[3]。

2.1 直排流通模式

氢燃料电池中的直排流通模式是一种最简单的氢气供应系统模式，其工作原理如图1 所示。储存罐内的氢气在压力调节阀的作用下，通过增湿器不断持续地流入电堆阳极，此过程对氢气加湿的目的是防止干膜现象的发生。大部分氢气在此过程中参与电堆的化学反应当中，并被消耗掉；与此同时，另一部分的氢气从电堆阳极出口，不经过化学反应直接排入外界环境当中。该氢气供应系统的缺点是无氢循环组件，系统造价不高且简单。对于整个化学过程中没有参加反应的氢气，将会被直接排放，显然存在一定的安全隐患，并且还会降低电池的工作效率。此外，为防止干膜现象的出现，燃料电池在直排流通模式下运行，需要额外配备加湿系统[4]。

2.2 死端模式

氢燃料电池的死端模式是一种非常典型的氢气供应系统模式，死端模式工作原理如图2所示。

通过观察图2可以发现，该模式的工作原理主要是将常闭吹扫电磁阀安置在了电堆阳极的出口位置，以此来实现氢气在电堆内的长时间停留，进而提升氢气在整个工作过程中的利用率。死端模式工作状态下，反应生成的液态水与占空气主要成分的氮气、微量的稀有气体以及其他多种杂质气体，都会经过质子交换膜扩散到电堆阳极之中。这种情况直接导致液态水和各类杂质气体在电堆阳极的大量积聚，从而将气体通道处堵塞，造成催化剂和氢气之间达不到有效接触，使电池电压下降。因此，为了克服死端模式工作弊端，更好地实现氢气在电堆内的反应，需要将该模式中运行的燃料电池开展经常性吹扫工作，把里面存留的液体水和各种杂质气体及时排出，从而保障电池的高性能工作状态[5]。

通过对氢燃料电池在死端模式下运行的特性反复研究。21世纪初，国外有学者发现了该模式下氢燃料电池的发电特性，具体采用的实验装置如图3所示。

当燃料电池在死端模式下运行时可开展实验，通过在电堆阳极出口处安置了一个阀门，并保持整个实验过程中阀门处于关闭状态。随着电堆运行开始，实验时间的不断增加，阳极出口会不断积聚反应生成的水，同时阴极空气中所携带的氮气会慢慢地渗透到阳极之中，两种现象会造成氢气流道的堵塞，让催化剂与氢气之间不能充分地进行化学反应，造成电池电压的不断下降。该实验研究还发现，实验初期随着氢的供给压力增加，电池性能会出现短暂的改善情况，但随着积累聚集的液态水与大量氮气变得越来越多时，电池性能改善情况出现了反转，并逐渐加速恶化。诸多其他国内外学者通过对燃料电池运行特性的研究，也一致认为：死端模式下在电堆阳极积聚大量的液态水、氮气和其他杂质气体，正是导致电池电压快速下降的主要因素。

2.3 再循环模式

为了提高电池的性能，当氢燃料电池工作时，一般会向电堆阳极提供充足的氢气。从理论上讲，这些氢气的真实流量会是理论流量的1.3倍左右。现在所采用的再循环模式，正是利用了氢气循环装置，把堆积在电堆阳极出口处的过量氢气，通过循环的方式送回到电堆阳极进口位置，继续重新参与化学反应，以此反复来提高氢气整体的利用率。同时，在氢气的循环过程中，把阳极累积的诸多杂质气体与水分一同排出，确保电堆运行的高效性。就目前燃料电池发展与被利用的情况来看，燃料电池汽车中使用最多的氢气供应模式就是氢气再循环模式，其工作原理如图4所示。

再循环模式的最大优点就是使提供的氢气充分得到反应，提高电堆的效率。但是，从客观层面讲，再循环模式也增加了氢气循环的辅助设备，这就直接增加了燃料电池的质量，也造成了燃料电池成本的提高[6]。

3 结语

随着未来新能源动力汽车的增加，燃料电池技术的研究、生产创新工作将会得到社会各界更多的关注和投入。车用燃料电池技术的创新与研究，也势必会再次掀起新能源汽车技术研究与应用的高潮，二者相辅相成，互相促进发展。目前，新能源电动汽车采用的氢燃料电池，相比于镍氢电池、锂电池等过去常用的车载电池，从综合的角度来看，其在电池的理想性能方面还是遥遥领先的。相信未来的车用燃料电池必定会在电池的性能、使用效率方面取得更大的提高。同时希望车用燃料电池可以做到对周围污环境的染控更小，符合绿色、环保的新型电池技术理念。

参考文献

[1] 谢静，于群.基于模糊神经网络电动汽车电池故障诊断研究[J].中国新技术新产品，2022（6）：20-23.

[2] 张立新，李建，李瑞懿，等.车用燃料电池氢气供应系统研究综述[J].工程热物理学报，2022，43（6）：1444-1459.

[3] 谢雨岑.基于深度学习的燃料电池性能衰退预测研究[D].成都：电子科技大学，2021.

[4] 江境宏，明志茂，赵可沦，等.动力电池系统检测评价标准体系探讨与检测关键技术分析[J].电子测量技术，2022，45（4）：45-52.

[5] 展靖華，连文香.燃料电池新能源汽车的创新分析及探索[J].中国设备工程，2022（16）：250-252.

[6] 刘小敏，张邦强，艾斌，等.质子交换膜燃料电池用氢质量标准的发展历程和现状[J].化工进展，2021（2）：703-708.