氢能源动力系统及其应用于大型农具上的相关综述

孙浩洋

摘 要：当下，环境问题是全球的焦点问题，碳排放指标是衡量该问题严重与否的一大重要因素。作为碳排放贡献量最大的主体之一，燃油汽车的能源动力改革迫在眉睫。目前，市面上不乏成功的新能源汽车，但除去各种代步车，功用车领域却鲜为人们涉足。在以农作物为主要经济来源的地区，各种煤油动力机械仍在田地里轰鸣。这显然与当下低碳理念相悖。因此，本文通过对市面上已有的氢能源动力载具进行相关分析，得出结论，并以此对氢能源动力系统应用在大型农具上的可行性进行对照分析。结果表明，市面上已有的氢能源动力系统可满足多数大型农具的工作要求。该项研究为后续新能源动力系统应用到各个大型机械上提供了一种参考。

关键词：氢能 动力系统 大型农具

1 引言

随着全球环境恶化、煤炭资源短缺等问题日渐严峻，各式新能源被推入了讨论范畴。氢能以其来源广泛、灵活高效、零排放等特点，成为了全球能源技术革命的重要方向和各国未来能源战略的重要组成部分，是推动能源结构向清洁化、低碳化转型的重要途径[1]。同时，氢能因其可活用于燃料电池，因此也被利用在各类载具的动力系统中。目前，较为成功的氢能源动力应用来自于丰田Mirai氢能源燃料电池混合动力系统汽车[2]，我国佛山市南海区也致力于氢能源有轨电车地下车站的设计探索[3]。可见，氢能源动力系统符合人们对新时代清洁能源的诉求，并处在飞速的探索期。

大型的农具——如采摘机、耕种机、除草机等，目前仍以煤油為主要动力来源，不仅成本高、能量转换效率低下，且同时伴随着大量的污染物产出。这显然与目前的发展趋势相悖。考虑到氢能源成本低、零排放等优点，将以氢能源为主的动力系统应用于大型农具，具有很高的经济及环境效益。鉴于目前并无成熟的应用案例，本文将主要采取类比分析法，对照市面上已有的以氢能源为动力的载具，论证分析氢能源动力系统应用于大型农具的可行性、优缺点及发展前景。

2 氢能源动力系统开发及应用现状

2.1 氢动力滑板车

来自哥伦比亚大学机械学院及电子学院的学者们经过调查[4]，发现自2017年以来，由于交通拥堵，传统燃料载具所造成的空气污染加剧，其中发展中国家的空气污染率最高（约占比70-80%）。世界银行和联合国警告说，该趋势可能致使污染水平同比增加高达50%。2019年，在全球400多个城市进行了一项研究，发现班加拉鲁（印度）、马尼拉（菲律宾）和波哥大（哥伦比亚）的交通拥堵程度最高，交通拥堵程度高达60%。另外，虽然世界银行在流动性问题严重的国家的交通运输及能源环境问题方面投资了约5.7万亿美元，但无论是经济效益还是环境减负方面，似乎都未取得明显效果。而解决这两个问题的另一种选择，是从根本上改变动力模式，即大力推展新能源电动系统代替传统煤油燃料。

基于此，汽车制造商开发了新的架构来制造混合动力（HEV），插电式混合动力（PHEV）或电池电动汽车（BEV）等电动汽车。这些类型的电动汽车有助于减少污染，但交通拥堵问题仍未解决。其他交通工具，如自行车和踏板车的便利性便显现出来了。与汽车相比，它们重量轻、能耗低、速度慢，占用的空间更小。预计这些交通工具可以极大的降低交通拥堵的程度。其中，电动自行车和电动滑板车的因其重量轻，功率大以及占用的空间较小而获得了极大的普及。

然而，这类交通工具普遍存在续航问题。且由于电动滑板车的制造商众多，使得他们的电池组件也不尽相同。目前，市面上最为流行的电动滑板车是带有锂离子电池（Li-ion）的电动滑板车，可以提供2.2至4.7 V的电压。其他替代品是由镍镉（NiCd）或镍氢（NiMH）制成的电池，它们分别可以提供1.2和1.3 V的电压。而随着对于氢能的探索日渐稳定，其也成为了新的电池替代品。氢电池由三部分组成：阳极，阴极和电解膜。它的内在原理就像传统电池一样：氢流向阳极，薄膜从原子中取出电子。电子被迫以电流的形式通过外部电路退出，而电离的氢向前进入阴极，在那里它与空气中的氧气相遇形成水分子。电荷由电池存储，也可以直接发送到电动发动机以移动车辆。图1显示了这两种技术的两个体系结构之间的比较。其中A为传统电池，B为氢氧燃料电池。

如图1所示，A为使用电池的踏板车的示意图结构。B为使用燃料电池的踏板车的示意图结构。对比来看，燃料电池相较于电池作为一级供能源的区别在于多了一步由氢氧反应产生电能、而后储存在电池栈里的过程。也就是说二者的主要区别并不在于电能的去向上，而是初始的动力来源的差异。故而该研究着眼于前半段氢氧反应产生电能、之后存储到电池中的过程，称之为燃料电池。

考虑到同等的单位氢储存的能量是汽油的2.6倍，也就是说如果储存或操作不当，可能会导致最致命的爆炸。所以该研究组采用同比例放缩法，制作了1：10比例的滑板车。在经过分析、调试、组装后，得到了实物以及一系列数据。得出了具有参考性的结论：一是氢电池每千克的比能量高于锂离子电池（400MPa的氢气罐为±35Wh/kg，350MPa的氢气罐为±70Wh/kg，而锂离子电池为±150Wh/kg）。然而，氢能源动力系统产生电流的效率很低。出于这个原因，氢电池必须以与电池的混合配置中使用，以能充分利用其能量潜力。二是燃料电池的续航与许多因素相关，其中，续航与滑板车的负重呈反比，与启停、变速次数呈反比，这两点可总结为滑板车启停或是负重更多或形成更大的惯性力，致使燃料电池需要分出更多的动力来驱动，直接导致了总里程数的降低。三是通过研究不同测试中车辆的燃油效率，结果表明，与仅使用电池的车辆相比，氢电池的存在会产生更高的效率，提升在29%到171%之间。这是由于电池的控制系统根据在运行电池时移动车辆的能量要求优化了要消耗的燃料、优化了来自电池的输入能量以及电池产生的能量，从而依照车辆的耗能需求供给电流。

以上三个结论对于氢能源动力系统应用于大型农具，具有指导性意义。

2.2 丰田Mirai氢能源燃料电池混合动力汽车

Mirai没有传统的燃油发动机，也没有变速器，发动机舱内部是驱动电动机及其动力控制单元。动力系统的布置方案如图2所示，其中驱动电动机和动力控制单元布置于车辆前舱区域，燃料电池堆栈和燃料电池增压转换器布置于前排座椅下方，HV动力蓄电池组布置于座椅后方，两个高压储氢罐布置于后排座椅下方。如图2所示，高压储氢罐内存储的燃料是氢气，压力大约为70MPa，燃料电池堆栈作为丰田汽车公司研发的第一个量产的燃料电池，其体积能量密度达到3.1k W/L，输出功率为114k W，燃料电池增压转换器运用高效紧凑的大容量升压器，能够将电压升高至最大DC 650V，HV动力蓄电池组采用密封镍锰金属氢化物电池，用于回收制动时产生的再生能量，并在加速时辅助燃料电池堆栈供电，驱动电动机L（MG2）由燃料电池堆栈和HV动力蓄电池组供电，最大功率113kW，最大扭矩335N·m，动力控制单元用于当车辆行驶在不同的工况时控制HV蓄电池组充放电的控制策略。

丰田Mirai最核心的动力来源是由370片薄片燃料电池组成的氢燃料电池堆栈。一共可以输出114kW的发电功率。与其名字中所带的“燃烧”原理不同，虽然该燃料电池的能量来源依旧是氢氧反应，但燃烧过于剧烈且其反应进程难以控制，所以在该电池组中主要的产能原理是利用氢气和氧气的化学反应过程中的电荷的转移来形成电流的。这一过程中最为关键的技术就是利用特殊的“質子交换薄膜”将氢气拆分，质子交换薄膜也是燃料电池领域最难被攻克的技术壁垒。作为氢燃料电池的核心原材料，其性能的好坏直接决定着燃料电池的性能和使用寿命，因而也成为近年来研究的热点[5]。目前，第二代Mirai所用的质子交换膜为增强版戈尔质子交换膜。该应用大大提升了新一代Mirai的性能，全新的质子交换膜厚度减少了30%，大大降低质子传导阻力，降低欧姆极化，提升水汽传导能力，从而使得电堆的运行性能和燃料效率更高了。该应用也使得新一代Mirai的最大燃料电池输出功率达到了128千瓦（174马力），燃料效率达到了152公里/千克氢气燃料（基于WLTP，全球轻型车辆测试循环测定）。这意味着每次加满氢气的续航里程可高达850公里（参考值）。这一系列的改变提升，都代表着氢能源动力系统的应用更加成熟、更加具有竞争力。

除了氢燃料电池本身的技术足够成熟，动力系统的总体布局合理外，其氢燃料电池的相关配套设施也十分完善。如图3所示，是Mirai电池堆栈及燃料电池增压转换器。

综上所述，Mirai汽车的燃料电池技术已经基本成熟且可投入实际应用。对于可用于家用轿车的动力系统，该氢氧燃料动力系统满足了：可携带的且稳定性强安全系数足够的储氢容器、足够高的电池可提供的单位体积能量密度及输出功率。且对于该燃料电池堆栈，配套了回收制动时产生的再生能量系统、减轻堆栈负载的动力控制单元等等。为其余的以氢能源为核心动力的机械研发提供了指导性参考。

3 氢能源动力系统应用于大型农具的适配性分析

大型农具的种类繁多，例如各类农作物的播种机采摘机、水稻播种机、除草机等等。虽然功能、目的各不相同，但在对于动力系统的需求上基本一致。目前大型农具的动力来源仍维持在最原始的煤油上，与节能减排、低碳高效理念严重不符。考虑到目前对于氢能源动力系统应用于大型农具的研究仍处于襁褓期，本章节将采用类比对照的方法，从动力需求、续航能力、动力系统覆盖度等方面出发，讨论二者适配性。

3.1 动力需求

2021年10月26日，在2021中国国际农机展上，玉柴机器举行了新品K16发布仪式[6]。K16发动机具备更大更强的动力装置，其最高可达569.6 k W，可配套在多数大型高端农机装备上。搭载该发动机的重型拖拉机可实现0km/h—50km/h全程无极调速。对照来看，搭载在丰田Mirai上的燃料电池堆栈输出功率为114k W最高时速可达到该重型拖拉机的二倍不止。同时，重型拖拉机自重通常在10t以上，而丰田Mirai的整车重为1900kg，考虑到参考文献[4]中所得出的结论二，对于所需最高时速20km/h、重量远小于重型拖拉机的大型农具来说，市面上可达到的丰田Mirai燃料电池堆栈的输出功率可满足其动力需求。

3.2 续航能力

对于多数大型农具来说，像采摘机、种苗机、除草机般的往复直线运动是常见的行进模式。其特点为不用急停急启式的变速、行程距离短。而在家用轿车启动停止时，往往伴随着巨大的制动能量的损失。因此对于大型农具来说，在此方面的能量损失将大大减少，对于电池的耗能也将降低。以丰田Mirai为例，其在2021年曾有消耗5.65公斤的氢气行驶1360公里的记录。据计算，耗能约为240公里/公斤。考虑到不同载具、不同行驶方式等均会导致每百公里的氢气消耗量不同，该数据只用作参考。作为对比，假定目标农户的耕地（正方形）面积为3亩（2000平方米），耕作的间隔为2米，其耕地边长约为45米，则完成一次耕地覆盖的行进距离为990米。即便考虑到农具工作时具有其他的能量消耗，丰田Mirai的车载电池也能完成大型农具的多次工作循环。

3.3 机载氢能源动力系统布局

以丰田Mirai为例，其动力系统总成可概括为以下组分（图4）：燃料电池堆栈、燃料电池升压器、动力控制单元、驱动电机、高压储氢罐、动力电池。就所占面积而言，并不会对其应用在大型农具上造成阻碍。但具体的放置位置、与农具的功用性器具的联动，是需要二次设计的。如由镍锰电池组成的动力电池，需放置在可实现制动能量回收的位置，并与高压储氢罐相连，以实现在加速时辅助燃料电池供电。除此之外，考虑到普通氢氧反应时剧烈且不易控制，而大型农具的应用场所并不像家用轿车般平坦且单一，所以在规划动力系统的放置时应确保其工作场所的安全性。

3.4 安全性分析

对于机载氢能源动力系统的安全性，通过上分的分析研究，不难发现大型农具对于动力的需求要远低于家用代步轿车的需求。由于大型农具并不追求较高的速度阈值、灵敏的变速需求，因此对于燃料电池本身的工作原理，市面上已有的技术可以充分满足农具的需求。但考虑到农具通常需要进行较长时间的持续工作，且动力系统需要对采摘机械臂等功用性组件进行驱动，因此应避免硬件疲劳而导致的氢气泄露等问题。迈阿密大学[7]试验比较了分别使用氢气和汽油为燃料的汽车在发生燃料泄漏及点燃后所存在的风险进行了对比分析。燃烧的情况如图5所示。

燃料泄漏后，氢气由于浮力的作用，其火焰几乎是垂直向上的，进而没有在车辆底部等相对狭窄的空间形成高浓度的可燃混合气。而汽油车则由于车辆底部的汽油聚集而发生了剧烈燃烧。在二者泄露一分钟后，氢能源汽车的整车仍基本完整，而传统燃油汽车早已面目全非。因此，在氢能源动力系统应用在大型农具上时，应尽量将储氢罐及输送氢气的管道布局在载具的上半部，同时保证这些管道的金属材料与氢气的相容性，以确保足够安全。

3.5 其他因素

除去以上所提三点，大型农具装载氢能源动力系统可行性较高的原因还有以下几点：

（1）大型农具无需考虑变速问题，对氢燃料电池所供给的动力只需分为用于行进的动力和用于功能性机构运转的动力两方面。相较于家用轿车，对于能量的去向较为简单。该特点可简化省略许多辅助结构。

（2）运用场所单一，对行进速度要求较低，故无需考虑超过速度阈值对动力系统造成过载，致使其使用寿命降低或是出现组件损耗等问题。

（3）除去氢能源动力系统本身是否适配于大型农具，考虑该方案是否能投入实际生活，还需考虑如加气站的建设、政府标化政策等外在因素。目前加氢站的建设成本高于成熟的加油站，且固定式加氢站建成后不可逆，故建设前需要充分考虑其选址的交通、市场、产业链协同、上游资源等要素[8]。综上，目前经济效益、可行性高的方案是在链接多处农场的交通枢纽处，依托原有加油站等建加氢站。

4 结论

本文针对氢能源动力系统应用于大型农具的适配性及前景展开研究，主要成果如下：

（1）以市面上已有的氢能能源动力系统为研究对象，对其应用于不同载具的实例进行了分析，归纳了其主要原理以及搭载在不同载具上时所展现的不同的特性。

（2）运用类比对照法，从动力需求、续航能力、机载氢能源动力系统布局、安全性等方面，分析氢能源动力系统运用在大型农具上的可行性。

市面上已有了成熟的以氢能源作为主要动力的实例，在安全性、环保问题、经济问题等方面均满足人们对于新能源动力系统的需求及设想。其运用在大型农具上的研究仍处于起步期，经本文分析后，该研究在动力需求、续航能力等方面均具有很高的可行性。但对于实际应用的经济效益、供氣问题、维护问题等仍需深入探索。在倡导清洁能源替换化石能源、重视节能减排的当下，各式大型工具的动力系统向新能源方向转型是大势所趋。未来可在上述未量化的因素上进一步细化，以利于加快相关动力系统的转型。

参考文献：

[1]徐连兵.我国氢能源利用前景与发展战略研究[J].洁净煤技术，2022，28（09）：1-10.

[2]田锐.丰田Mirai氢能源燃料电池混合动力汽车核心控制策略（一）[J].汽车维修与保养，2023（01）：24-27.

[3]刘阳，周俊仙.氢能源有轨电车地下车站的设计探索[J].城市轨道交通研究，2023，26（03）：128-132.

[4]Salazar S，Malagón D，Forero-García E， Torres MJ，Velasco Pe?a MA. Evaluation of a Hydrogen Powered Scooter Toy Prototype.Machines.2022，10（12）：1134.

[5]张艳红，杨静，韩雅芳.我国燃料电池汽车用质子交换膜产业发展分析[J].中外能源，2023，28（04）：23-28.

[6]农机爱好者.更大、更智慧玉柴“芯”，玉柴机器发布两款大型高端智能化农机动力[J].农业机械，2021，（11）：31.

[7]Swain M R.Fuel Leak Simulation[R].Coral Cables，USA：University of Miami，2001.

[8]李凤迪，程光旭，贾彤华，陶亦，王亚飞，胡海军.加氢站发展现状与新模式探析[J].现代化工，2023，43（04）：1-8.