燃料电池在交通领域应用研究进展

上海市节能监察中心 任庚坡

随着世界经济的发展，汽车消费量逐渐增加，带来了石油需求激增和环境恶化等问题，人类面临着资源与环境的双重压力。从长远利益看，发展新能源汽车是解决这些问题的有效途径。所谓新能源汽车，是指全部或部分由电能驱动电机作为动力系统的汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车、替代燃料汽车和燃料电池汽车四种类型。

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell,PEMFC）因其环境友好、寿命长、运行温度低、比功率高、能量效率高、冷启动快、结构紧凑、易维护等优点，特别适合作为移动电源，成为燃料电池开发的热点。由于PEMFC以上的优点，将来很有希望代替内燃机成为汽车的发动机。PEMFC汽车具有以下优点：（1）燃料来源广，可以利用生物质、核能、化石能源等制造氢作为燃料；（2）环境友好，运行时不排放 PM、SOx、NOx等有害物质，无CO2排放；（3）技术普及后可以进入家庭，有望进一步提高效率，降低能源消耗量。而立足于氢能基础上的PEMFC汽车由于可以做到“零排放”，已成为世界公认的最理想的环保型汽车。美国能源局(US Department of Energy,DOE)和美国汽车业界在新一代汽车合作组织(Partnership for a New Generation of Vehicles,PNGV)的资助下合作开发了时速能达到80英里的六人座汽车，合作双方投巨资研究和推进PEMFC技术作为交通运输领域清洁、高效的替代技术。目前，美国汽车制造商在燃料电池技术领域取得了突飞猛进的进步，并对燃料电池汽车的市场化作了计划。日本丰田、本田、日产汽车公司，德国西门子、奔驰、宝马汽车公司，意大利DeNora公司在燃料电池汽车领域也各有建树。

1 燃料处理

为除去PEMFC燃料中的有害气体CO，Dudfield等[1]设计、制造和评估了应用于PEMFC系统结构紧凑的CO优先氧化反应堆。此堆成功地应用于20kWePEMFC系统甲醇蒸汽重整器中，使CO的浓度由2.7%降低到20ppm。Semelsberger和Borup[2]模拟研究了不同燃料对车用PEMFC系统氢产生的影响，比较了汽油、甲醇、乙醇、二甲醚和甲烷作为燃料时，燃料处理器的尺寸、启动能量和50kWe燃料处理器的整体效率。甲醇、二甲醚、汽油、乙醇和甲烷作燃料时，燃料处理器的体积分别为 25.9L、30.8L、42.5L、43.7L 和 45.8L；燃料处理器的启动能量分别为2717kJ、3423kJ、7068kJ、6632kJ和7592kJ；整体效率分别为 38.3%、38.5%、37%、34.5%和33.2%。

图1为常见的燃料处理器的示意图[2]，包括自热反应堆(autothermal reactor,ATR)、高温气水转换反应堆 (high-temperature water gas shift reactor,HTS)、低温气水转换反应堆 (lowtemperature water gas shift reactor,LTS)和一氧化碳优先氧化反应堆 (preferential oxidation reactor,PrOx)，其尺寸为相对尺寸。ATR（体积占12.4%）对燃料进行部分氧化和蒸汽重整以产生富氢燃料蒸汽，但因CO的存在，此时的燃料蒸汽不能送进PEMFC[3]。HTS（体积占25.9%）和LTS（体积占49.4%）使CO通过气水转换反应转变成氢，HTS使CO的含量降至4%以下，LTS进一步降低CO的含量至0.9%。PrOx（体积占12.4%）为燃料处理器的最后一段，可以使CO的含量降至约10ppm，满足PEMFC燃料的标准。

2 实验研究

Cleghorn等[4]描述了Los Alamos国家实验室在PEMFC交通领域应用方面的研究工作。使用极低铂载量、价格低廉的流场和双极板，开发了低成本、高性能的氢或重整气／空气燃料电池堆。研究结果表明，就电流密度而言，直接甲醇燃料电池比现场甲醇重整燃料电池性能优越。Hwang等[5]描述了PEMFC系统的开发及其在“明道”轻型氢燃料电池汽车上的应用。此燃料电池系统包括5kW PEMFC堆、微型控制器和其他辅件，如氢压缩缸、送风机、螺线管阀、压力调整器、水泵、热交换器和传感器等。燃料电池不仅用来驱动汽车，还为辅件提供动力。此车行驶了100km，运行状况良好，无污染物排放。测试结果表明，作为游园用燃料电池汽车，其燃料电池系统的效率超过30%，高于常规的内燃机的效率。

Pei等[6]基于带有既作为载荷又作为测量装置的功率计的内燃机实验台，建立了汽车燃料电池系统实验台，介绍了基于此实验台的实验结果。此实验系统中包含燃料电池发动机、直流／直流转换器、带有直流／交流转换器的电动机。测试结果表明：产生50kW电功率时，燃料电池系统的电效率为41%(LHV)；电堆平均电压为0.65V时，电池电流密度为400mA/cm2；此电池系统的最大机械能输出功率和最佳燃料消耗量分别为41kW和102g/kWh。此实验台可以测评燃料电池系统的组成部件，如电池堆、发动机、直流／直流转换器和电动机等，还可以在燃料电池系统安装于汽车上之前方便地揭示出其电磁兼容性。Folkesson等[7]对混合动力燃料电池概念大巴进行了实验研究，现场测试了不同运行工况下的能量流，介绍与讨论了燃料电池系统和整个大巴系统的效率。此大巴以50kWe燃料电池系统作为动力，高压蓄电池组作为能量缓冲器和输出功率后备。燃料电池系统的净效率约为40%，燃料效率介于42%～48%，低于当地的大巴，再生刹车系统节省了28%的能量。大巴子系统消耗燃料7%的能量或燃料电池系统输出功率的17%。

3 模拟研究

燃料电池的数学模型对燃料电池堆的优化设计、负荷跟踪特性和燃料电池在汽车领域中应用时辅助部件和系统的优化与控制，都是一个强有力的工具。

PEMFC是燃料电池汽车的关键单元之一，电池堆的优化及其负荷变化与跟踪的动力学特性研究非常重要。任庚坡等[8]通过建立PEMFC全流场三维、两相模型，模拟了PEMFC阴极侧流道和气体扩散层中水的质量浓度的分布，分析了氧化剂种类、反应气体进气速度、质子交换膜厚度、双极板筋宽对PEMFC输出性能的影响，确定了PEMFC最易出现极限电流密度的位置和提高其输出性能的一些方法。Moore等[9]描述了直接氢燃料电池汽车负荷跟踪的动态模拟工具，研究的重点是用汽车模拟工具模拟直接氢燃料电池系统，主要研究了负荷跟踪直接氢模型特有的子系统，讨论了燃料电池堆、空气供应系统、水热管理系统和氢供应系统等子系统，并对每个子系统进行了仿真工作。

PEMFC动力系统研究涉及整个系统的集成和优化。Maxoulis等[10]把一个描述燃料电池的模型嵌入到一个汽车模拟软件－ADVISOR(Advanced Vehicle Simulator)中，这种耦合便于研究汽车运行时燃料电池的性能，研究过程中考虑了汽车运行时温度的变化对燃料电池性能的影响，而且，这种方法可以用以研究改变燃料电池堆的一些设计参数，如最大电堆功率、催化剂活性、流道中的水含量等对电池整体性能和燃料电池汽车燃料消耗量的影响。Boettner和Moran[11]模拟研究了直接氢和现场甲醇重整PEMFC汽车的性能，发现控制辅助部件可以提供最大的优化机会，改善电池性能；直接氢供料系统比现场重整供料系统的燃料经济性好很多。

Haraldsson和Wipke[12]研究了文献中常见的PEMFC模型，以帮助读者找到满足他们模拟需求的模型。首先，介绍了选择燃料电池模型的标准；其次，应用这些标准选择了文献中最先进的可以商业应用的模型，讨论了这些商用模型的优势和不足；最后，以美国国家可再生能源实验室评估两个相互独立的燃料电池系统模型为例，说明了选择燃料电池模型的过程和方法，并把这两个模型嵌入到ADVISORTM2003中。

Caux等[13]介绍了控制PEMFC部件的模型的建模方法和控制定律的设计，认为燃料电池的阳极室和阴极室产生电压，控制空气和氢气的流速和压力。描述了一个交通用燃料电池汽车的结构。设计了两个断路器并对其加以控制以传输燃料电池和附加的电量存储单元所需的电量。文中的模型和控制方案可以对实际运行的燃料电池汽车进行特点描述和系统控制调整。

4 环境与经济性分析

Kazim[14]的研究认为，如果PEMFC汽车应用于交通领域，阿拉伯联合酋长国将收到巨大的经济和环境效益。首先，PEMFC汽车和传统的内燃机汽车共存，以后逐渐增加燃料电池汽车的数量，直至2025年逐步取代内燃机汽车。研究结果表明，到2025年，如果不引入燃料电池汽车，常规的内燃机汽车将花费3.80×108美元，其污染物排放将达到2.4×108kg，在未来的20年中，将总共花费23×108美元，污染物排放共14.4×108kg。同时，PEMFC汽车每年的运行费用为5061美元，比内燃机汽车低近180美元。

Karlström[15]量化介绍了2006年在瑞典一个城市的重点公交线路上，使用燃料电池大巴与使用EURO 5柴油机大巴和压缩天然气大巴相比当地环境的受益。以货币为尺度，评估了燃料电池大巴对环境中NOx的浓度、灰尘和噪声污染的影响，估计了温室气体的排放的减少量。研究结果表明，虽然和每年投入购买燃料电池大巴的费用相比，用于治理不用燃料电池大巴导致的环境污染的花费不大，但作为向氢能经济转变的第一步，对燃料电池大巴的投入是值得的。

5 问题与挑战

燃料电池汽车的开发取得了很大的成就，但在全面推广此技术之前仍有很多问题需要考虑，还存在着一些问题需要解决。一是燃料处理和降低燃料电池系统的成本，这是开发燃料电池汽车遇到的最大挑战；二是燃料电池汽车必须的燃料补给基础设施建设，这是未能解决的问题之一；三是燃料电池本身的寿命的延长、费用降低、系统的优化、子系统设计、体积和重量的控制等。

6 结论与展望

PEMFC汽车的开发和商业运行对缓解和解决资源短缺、环境恶化等世界范围内的问题有深远意义。和实验相结合，数学模型对燃料电池堆的设计、运行参数的优化、及其在汽车领域中应用时诸如空气供应系统、水热管理系统和燃料供应系统等辅助子系统的优化、系统参数及流程优化等来说，都是一个重要的工具，对PEMFC汽车的研发有非常重要的意义。数学模型应向三维、两相、非等温、暂态方向发展，并进一步发展车用燃料电池动力系统及其相关辅助子系统的模型，建模时应尽量减少简化假设条件，以使仿真结果更接近于燃料电池汽车实际运行状况。

PEMFC汽车的研发和商业应用是一个复杂的系统工程，对其的研究除了燃料电池本身，还应包括辅助子系统和整车系统的性能。燃料电池大巴将首先使燃料电池在汽车领域得以商业应用，因其对燃料电池的重量和体积的限制少，供料问题能通过集中的基础结构得以解决。我国在燃料电池电流密度和单机功率方面已接近国际先进水平，随着新能源汽车需求的日益增加，燃料电池的产业化势在必行。近期燃料电池研究的目标应是进一步降低其成本，解决电池及附属部件的小型化，并投入汽车领域实际运行。

[1]Dudfield C D，Chen?R，Adcock P L.A carbon monoxide PROX reactor for PEM fuel cell automotive application[J].Int J Hydro Energy，2001，26：763-775.

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[8] 任庚坡，于立军，姜秀民等.平行流场PEMFC输出性能影响因素的数值分析[A].中国工程热物理年会[C]，北京：2005.298-304.

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