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氢能源动力系统及其应用于大型农具上的相

关综述

作者：孙浩洋

来源：《时代汽车》2024年第01期

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

引言1

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，目前仍以煤油为主要动力来源，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。

氢能源动力系统2开发及应用现状

氢动力2.1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4.7V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1.3V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