氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用與分析

隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，成本進(jìn)一步降低，基礎(chǔ)設(shè)施逐漸完善，氫燃料電池技術(shù)開始大規(guī)模推廣應(yīng)用。氫燃料技術(shù)的快速發(fā)展，緩解了環(huán)境污染現(xiàn)狀，也給能源行業(yè)及汽車企業(yè)帶來新的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。相關(guān)企業(yè)可在氫氣供應(yīng)、加油/充電/加氫一體化運(yùn)營以及汽車輕量化材料開發(fā)方面適時(shí)介入新能源汽車產(chǎn)業(yè)鏈，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)鏈的轉(zhuǎn)型與調(diào)整。

1 氫燃料電池汽車（HFCEV）配置及控制策略研究[1]

氫燃料電池車輛需要燃料電池、電池組、超級電容器、控制器和智能控制單元及其控制策略。Hames通過比較現(xiàn)有關(guān)于燃油經(jīng)濟(jì)性的控制策略，提出了安全、低成本和高效率的最佳氫燃料電池汽車配置和控制策略。

氫燃料電池的設(shè)計(jì)取代了傳統(tǒng)的內(nèi)燃機(jī)，通常，氫燃料電池是環(huán)境友好型技術(shù)，將進(jìn)入的氫轉(zhuǎn)化為電并且有助于能源再生，是具有高能效和低排放的新型能源，除此之外，卻存在功率密度低和功率響應(yīng)慢的問題。為解決這一缺點(diǎn)，可將超級電容器（SCAP）和電池（BAT）、儲(chǔ)能系統(tǒng)與燃料電池（FC）一起使用，即需要穩(wěn)健的控制策略。

圖1 氫燃料電池車輛配置示意圖[1]

在圖1所示配置中，控制機(jī)制由FC、BAT、SCAP、DC/DC轉(zhuǎn)換器和逆變器組成。此外，該車輛由三相牽引電動(dòng)機(jī)、輔助裝置、DC總線和儲(chǔ)能系統(tǒng)組成，車輛所需的動(dòng)力-能量變化和平衡由所有這些元素的穩(wěn)定功能提供，同時(shí)應(yīng)確定控制策略以防止對系統(tǒng)造成損害。HFCEV的主要能源是FC，F(xiàn)C轉(zhuǎn)換器用作將FC連接到DC總線的中間層，維持BAT的電壓調(diào)節(jié)。當(dāng)燃料電池的功率（PFC）不足時(shí)，電池為DC總線和FC產(chǎn)生額外的電力。操作BAT轉(zhuǎn)換器以保持SCAP的電壓調(diào)節(jié)，SCAP控制直流母線電壓，并產(chǎn)生FC和BAT無法產(chǎn)生的特定功率，以提供車輛的突然功率需求。逆變器可為牽引電機(jī)產(chǎn)生任何所需的輸出電壓，并控制FC-BAT-SCAP的輸出。

為在車輛中提供能量管理，目前已經(jīng)開發(fā)并實(shí)施應(yīng)用了多種控制器，其中最常見的控制器有以下四種：

（1）峰值電源策略（PPSS）

（2）運(yùn)行模式控制策略（OMCS）

（3）模糊邏輯控制策略（FLCS）

（4）等效氫消費(fèi)最小化戰(zhàn)略（ECMS）

對比分析各種控制器的優(yōu)缺點(diǎn)，應(yīng)該建立安全、低成本和高效的控制策略，以加強(qiáng)未來的運(yùn)作。最重要的是，必須使燃料經(jīng)濟(jì)性方面的氫消耗最小化，為未來的“綠色能源”和“氫能經(jīng)濟(jì)”做出巨大貢獻(xiàn)。

2 氫燃料電池的燃料優(yōu)化策略[2]

電池電動(dòng)汽車和氫燃料電動(dòng)汽車的技術(shù)進(jìn)步改變了未來汽車的發(fā)展前景。然而，在電力/氫氣技術(shù)障礙沒有被拆除之前，兩種動(dòng)力架構(gòu)都沒有機(jī)會(huì)完全引入到車輛市場中。文中提出了一種基于當(dāng)前化石燃料作為增程器的動(dòng)力總成結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)，將其作為增程器改成氫燃料電池堆系統(tǒng)，并探討在規(guī)劃燃料消耗/選擇時(shí)，如何通過融入遺傳算法的優(yōu)化技術(shù)實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵性的助力作用。作者的目標(biāo)是強(qiáng)調(diào)采用這種動(dòng)力系統(tǒng)的可能性及對其適當(dāng)?shù)墓芾?，使氫燃料成為?dāng)今汽車領(lǐng)域內(nèi)可行的能源載體。

燃料管理系統(tǒng)（FMS）模型包括管理電池中存儲(chǔ)的電力和燃料電池堆的氫消耗。開發(fā)的FMS的基本工作如下：電力需求來自電動(dòng)機(jī)模型；轉(zhuǎn)換器根據(jù)電池瞬時(shí)工作電壓調(diào)整需求，并將其轉(zhuǎn)換為電流需求；FMS決定電池的消耗是否需要來自燃料電池堆系統(tǒng)的能量。車輛的燃料消耗如圖2所示。

FMS決定何時(shí)應(yīng)該啟動(dòng)燃料電池和供應(yīng)的能量。如圖2所示，當(dāng)SoC達(dá)到其最低允許安全值30%時(shí)，F(xiàn)CRES為電池提供充電所需的電力，但有兩種不同的方式：

增加電池SoC：通過增程器使用指定電流值為電池供電，以避免電池低于其臨界極限（20%SoC）停車，F(xiàn)MS在達(dá)到80%的SoC時(shí)斷開燃料電池增程器系統(tǒng)，為可能的能量恢復(fù)提供余量；還可以通過使用制動(dòng)系統(tǒng)來調(diào)節(jié)再生制動(dòng)電荷，當(dāng)SoC達(dá)到上限時(shí)，液壓制動(dòng)系統(tǒng)接管制動(dòng)需求而避免電池過充。

圖2 燃料消耗流程圖[2]

維持電池SoC：通過增程器系統(tǒng)使用最佳瞬時(shí)電流值為電池供電，以保護(hù)電池低于其臨界極限并最大限度地減少氫氣消耗。在這種情況下，系統(tǒng)必須在25%至35%SoC限制之間維持電池工作。

綜上所述，本文通過應(yīng)用不同的測試來研究不同能量管理策略的范圍和燃料消耗量，基于遺傳算法來實(shí)現(xiàn)氫燃料電池配有增程器車輛的燃料優(yōu)化。

3 氫燃料電池技術(shù)對中重型卡車的影響[3]

本研究基于車輛動(dòng)態(tài)模擬和來自真實(shí)世界車輛測試數(shù)據(jù)研究，進(jìn)行了氫能燃料電池電動(dòng)卡車（FCET）及就傳統(tǒng)柴油卡車在能源使用和排放物方面進(jìn)行全面和最新的生命周期比較。

圖3 氫燃料VS.傳統(tǒng)柴油[3]

如上圖反映的，對于集中式蒸汽甲烷重整（SMR）途徑，與其柴油相比，氫FCET使生命周期或Well-To-Wheel（WTW）石油能量使用減少了98%以上。氣態(tài)氫（G.H2）FCET的WTW空氣排放減少溫室氣體為20%至45%，VOC為37-65%，CO為49-77%，NOx為62-83%，PM10為19-43%，PM2.5為27-44%，具體值取決于車輛重量等級和卡車類型。FCET產(chǎn)生比柴油發(fā)電機(jī)組更多的WTW SOx排放，主要是因?yàn)闅錃鈮嚎s/液化用電過程的排放。

從傳統(tǒng)柴油轉(zhuǎn)換為FCET將減少化石燃料消耗生命周期、溫室氣體排放和空氣污染物排放。與傳統(tǒng)的柴油卡車相比，氫FCET幾乎可以消除每輛車的石油能耗。在制動(dòng)熱效率方面，F(xiàn)CET的優(yōu)勢仍然顯著。此外，基于可再生能源的氫燃料生產(chǎn)技術(shù)（如太陽能電解）可以大大提高FCET的整體效益，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過非電動(dòng)能源——柴油。

為進(jìn)一步推進(jìn)FCET的生命周期研究，可以進(jìn)行更深一步的改進(jìn)。

首先，本研究采用了最新的EPA/NHTSA測試循環(huán)和復(fù)合燃料消耗估算方法，由于中型和重型車輛非常多樣化類型和應(yīng)用，可考慮更多不同的工作循環(huán)或運(yùn)行條件；

其次，除了與傳統(tǒng)柴油卡車的比較之外，可以將其他技術(shù)（例如生物柴油、柴油混合電動(dòng)和壓縮天然氣）與FCET進(jìn)行比較；

第三，與傳統(tǒng)柴油卡車的非電動(dòng)先進(jìn)車輛技術(shù)相比，可評估CAP(GHGs and criteria air pollutant)排放對能源使用和溫室氣體排放的影響；

第四，需要結(jié)合其他氫途徑的更全面的分析；第五，需要進(jìn)一步調(diào)查，以評估FCET對空氣質(zhì)量改善的好處。

4 全球技術(shù)法規(guī)中氫燃料電池汽車的氫監(jiān)測[4]

NREL和JRC傳感器實(shí)驗(yàn)室完成了兩項(xiàng)與GTR第5.2節(jié)中規(guī)定的氫氣監(jiān)測要求相關(guān)的研究，以確定車輛碰撞試驗(yàn)后的燃料系統(tǒng)完整性。該研究的主要結(jié)論包括：

-TC傳感器兼容氫和氦測量；

-合理布置的TC傳感器與車輛碰撞測試兼容，并具有GTR所要求的計(jì)量性能規(guī)范；

-如果在車廂內(nèi)積聚達(dá)到了不安全的氫氣水平，建議在車輛碰撞試驗(yàn)期間以及隨后的1小時(shí)保持時(shí)間內(nèi)實(shí)時(shí)接觸傳感器輸出（例如通過遙測）。

以上工作表明，商業(yè)上有效的傳感器技術(shù)可用于驗(yàn)證是否符合GTR要求。研究過程的發(fā)現(xiàn)可供DOT使用，因此也可供GTR委員會(huì)和氫能工業(yè)使用。碰撞試驗(yàn)之后，一種可驗(yàn)證燃油系統(tǒng)完整性的手段得到證實(shí)，同時(shí)燃料電池電動(dòng)車（FCEV）廢氣分析儀正在處于開發(fā)過程中，而且已確定一個(gè)低成本傳感器用在這臺(tái)分析儀上。

5 直接氫燃料電池汽車成本分析[5]

直接氫燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）產(chǎn)物僅有水，消除了含碳量較高的尾氣和與內(nèi)燃機(jī)車輛（ICEV）相關(guān)的空氣污染物排放。然而，為了實(shí)現(xiàn)與ICEV的經(jīng)濟(jì)持平，降低系統(tǒng)成本是必須克服的技術(shù)難關(guān)。前期調(diào)查表明，美國大約有3 000輛氫質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池輕型汽車，預(yù)測未來幾年這些車輛的數(shù)量將顯著增加。電池電動(dòng)汽車和FC電動(dòng)汽車中重復(fù)部件（電池和FC堆棧）的使用使得高容量、高利用率的生產(chǎn)線成為可能，且年產(chǎn)量（10萬輛/年）低于ICEV（50萬輛/年）。因此，顯示兩種費(fèi)率的成本，可便于與其它電動(dòng)車輛和ICEV進(jìn)行更直接的比較。

為了透明且全面地估算PEM燃料電池電力系統(tǒng)的制造和組裝成本以識(shí)別成本驅(qū)動(dòng)因素，Simon使用四步方法：

和諧是一種完美，是自然界、人類社會(huì)、人類思維存在的最理想狀態(tài)。“凡是美的都是和諧的和比例合度的，凡是比例和諧的和比例合度的就是真的，凡是既美又真的也就在結(jié)果上是愉快的和善的?！边@段話揭示出和諧與真、善、美的關(guān)系。教學(xué)的最終目的是使學(xué)生的基本素質(zhì)和個(gè)性品質(zhì)得到全面、充分、和諧的發(fā)展。

（1）系統(tǒng)概念設(shè)計(jì)

如圖4中的系統(tǒng)示意圖所示，包括空氣回路、燃料回路和高（HTL）、低溫液體（LTL）冷卻劑回路，其中，氫氣儲(chǔ)存罐和閥門（用虛線標(biāo)注）不包括在成本分析中；

（2）系統(tǒng)物理設(shè)計(jì)

基于物理設(shè)計(jì)創(chuàng)建物料清單，包括子系統(tǒng)、組件、材料、制造和裝配過程、尺寸和其他關(guān)鍵信息的定義；

（3）建立成本模型

主要使用制造設(shè)計(jì)和裝配，用于估算FC電力系統(tǒng)的制造和裝配成本；

（4）持續(xù)評估降低成本

從模擬的2017年FC系統(tǒng)的結(jié)果中，發(fā)現(xiàn)催化劑層和雙極板仍然是成本的兩大貢獻(xiàn)因素，因此是實(shí)現(xiàn)降低成本所關(guān)注的焦點(diǎn)。研究發(fā)現(xiàn)，最有可能成功降低雙極板成本的措施是：

（1）更快的加工速度，每年生產(chǎn)500,000個(gè)系統(tǒng)，并且不需要太多平行生產(chǎn)線；

圖4 LDV汽車燃料電池系統(tǒng)[5]

（2）新材料，目前的雙極板材料成本（沒有加工）超過了雙極板的DOE成本目標(biāo)，開發(fā)新材料是降低成本的另一實(shí)現(xiàn)形式。

此外，支持DFMA?分析的假設(shè)和方法是針對目前以低生產(chǎn)率制造的現(xiàn)實(shí)技術(shù)（豐田Mirai內(nèi)的燃料電池系統(tǒng)）的類似分析進(jìn)行測試的。總體而言，該分析繼續(xù)為燃料電池組件的戰(zhàn)略發(fā)展提供指導(dǎo)，未來會(huì)更多致力于將單個(gè)組件和材料耐久性的信息納入模型，實(shí)現(xiàn)真實(shí)系統(tǒng)的快速升級。