新型燃料電池技術(shù)

氫是一種替代燃料，按重量計算，它的能量含量很高。它大量儲存在水、碳?xì)浠衔锖推渌袡C(jī)物中。氫可以從多種多樣的資源中產(chǎn)生，包括化石燃料、生物質(zhì)和水電解，以及風(fēng)能、太陽能或電網(wǎng)電力。氫氣的環(huán)境影響和能源效率取決于它是如何產(chǎn)生的。氫和燃料電池可以廣泛應(yīng)用。由于燃料電池可以獨(dú)立于電網(wǎng)，因此對于數(shù)據(jù)中心、電信塔、醫(yī)院、應(yīng)急響應(yīng)系統(tǒng)甚至國防軍事應(yīng)用等關(guān)鍵負(fù)載功能來說，它們也是一個有吸引力的選擇。燃料電池與電池類似，它們不是燃燒產(chǎn)生電能。與今天的汽油車類似，燃料電池電動汽車在一箱氫燃料上的行駛里程可以超過300英里。他們可以在幾分鐘內(nèi)補(bǔ)充燃料，而且加燃料體驗幾乎和加油站一樣。由于發(fā)動機(jī)（即燃料電池）沒有移動部件，永遠(yuǎn)不需要換潤滑油。

1 氫燃料電池技術(shù)未來的可持續(xù)性[1]

Kumar討論了一些關(guān)鍵的能源、環(huán)境和可持續(xù)性問題，以及氫和燃料電池技術(shù)作為這些問題的潛在解決方案之一的作用。氫是一種特別吸引人的運(yùn)輸燃料。它是產(chǎn)生污染最少的燃料，可以在任何有水和清潔電力的地方生產(chǎn)。用太陽能電解水或可再生生物質(zhì)氣化制氫，然后用于燃料電池電動汽車（FCEV）的燃料循環(huán)將產(chǎn)生很少或根本不會產(chǎn)生局部的、區(qū)域的或全球污染。氫燃料電池汽車將結(jié)合電池動力電動汽車（BPEVS）的最佳特性—零排放、高效、安靜運(yùn)行、長壽命—內(nèi)燃發(fā)動機(jī)汽車（ICEVs）的長距離和快速加油時間。如果燃料電池技術(shù)如預(yù)期的那樣發(fā)展，那么氫燃料電池汽車將和太陽能電池汽車有一個重大的進(jìn)步，它們將比氫燃料電池汽車更清潔和更高效，比氫燃料電池汽車有更短的加油時間和更低的生命周期成本。作者將揭示用燃料電池取代現(xiàn)有發(fā)電源的可能性。

燃料電池的類型主要取決于它們所使用的電解質(zhì)的類型。而電解液的類型又決定了操作溫度，不同類型的操作溫度差別很大。高溫燃料電池的工作溫度在1 100華氏度（600攝氏度）以上，這些高溫使得輕烴燃料（如甲烷）在有水存在的情況下自發(fā)地內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫和碳。

2 FCEV逆變器并聯(lián)直冷系統(tǒng)的研制[2]

現(xiàn)代汽車公司的Heung Seok Seo介紹了一種帶圓形翅片式的直接液冷電源模塊，它是一種用于高輸出電壓的電動汽車或燃料電動汽車的逆變器并聯(lián)冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)逆變器的直接冷卻系統(tǒng)是沿硅晶片等加熱元件的布置方向提供冷卻劑，并將冷卻劑排放到另一側(cè)。對于逆變器，電壓輸出越高，由于產(chǎn)熱元件的熱量交換，冷卻入口與冷卻出口之間的溫差越大，因此溫差的大小取決于硅芯片的布置位置。解決這個問題的簡單方法是增加冷卻流速，但這會導(dǎo)致由于圓形翅片而產(chǎn)生的壓力損失增加。

2.1 仿真條件

本研究采用的逆變器是帶有圓柱形翅片的三相逆變器，并且配有單面直接冷卻系統(tǒng)。逆變器的芯片排列方式如圖1所示。電源模塊的貼合布局如圖2所示。功率模塊層由芯片和芯片焊料、直接結(jié)合銅（DBC）、焊料和基板組成。直接結(jié)合銅（DBC）是一種結(jié)構(gòu)，銅層直接粘結(jié)在陶瓷上進(jìn)行絕緣。

2.2 仿真模型

為冷卻通道優(yōu)化，驗證并聯(lián)冷卻系統(tǒng)對一般冷卻通道的影響，作者確定了冷卻通道尺寸由191.5 mm（長）、54 mm（寬）和8.5 mm（高）組成。

圖1 半導(dǎo)體冷卻劑的布置位置[2]

為有效設(shè)計并聯(lián)冷卻通道，選取螺栓連接等4個不受干擾的設(shè)計變量，設(shè)置約束條件。

但是當(dāng)最高溫度降低時，芯片之間的溫差也得到了改善，因此設(shè)定目標(biāo)函數(shù)使芯片的最高溫度和壓力損失最小化，以減少優(yōu)化時間。

圖2 電源模塊的貼合布置[2]

3 燃料電池系統(tǒng)開發(fā)對FCEV性能的影響[3]

FEV Marius Walters博士以燃料電池增程器（FCREX）在FEV Liiona中的應(yīng)用為例，闡述了燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)挑戰(zhàn)。FEV Liiona是一款基于FEV開發(fā)的菲亞特500的電動汽車。這是第一個應(yīng)用30 kW LT PEM燃料電池系統(tǒng)的超緊湊型類汽車。燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)對燃料電池電力系統(tǒng)的性能、效率、布置、耐用性和所需的維護(hù)工作都有顯著的影響。與此同時，對流體供應(yīng)所必需的輔助部件的要求與內(nèi)燃機(jī)相比有很大不同。就燃料電池增程器應(yīng)用而言，Marius Walters博士解釋并評估了所選擇的成熟組件平衡的優(yōu)缺點(diǎn)。在不限制車內(nèi)可用性的情況下，燃料電池增程器可以提供額外的140 km續(xù)航里程。

3.1 送風(fēng)系統(tǒng)

圖3描述了送風(fēng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)。首先，入口空氣通過一個過濾器，過濾掉威脅燃料電池交換膜的顆粒和空氣污染物。然后將其壓縮到必要的操作壓力級別，通過充電空氣冷卻器進(jìn)入燃料電池堆疊。為了使后者最小化，系統(tǒng)中不采用膨脹機(jī)。因此，壓縮機(jī)必須由電力驅(qū)動，壓力水平由節(jié)流閥調(diào)整?？諝獬隹诘南羝骺梢越档驮胍?。

圖3 送風(fēng)系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)[3]

表1概述了適用于汽車應(yīng)用的各種壓縮機(jī)類型的優(yōu)缺點(diǎn)?？梢钥闯觯诔杀?、生產(chǎn)能力和耐久性等重要方面，軸流式壓縮機(jī)和徑流式壓縮機(jī)均滿足要求。

Marius Walters博士也進(jìn)行了單級壓縮機(jī)可能的類型比較及其在燃料電池汽車中的應(yīng)用研究。

表1 適用于汽車應(yīng)用的各種壓縮機(jī)類型[3]

Marius Walters博士的研究中，把電氣化Rotrex C8-8壓縮機(jī)的理論上可以達(dá)到的壓力被繪制成空氣質(zhì)量流量的函數(shù)。工作特性曲線受到?jīng)_擊線的限制，從20 g/s的質(zhì)量流量開始，壓力達(dá)到2 bar。壓縮機(jī)出口通過空氣濾清器和充電空氣冷卻器的壓力損失減小，導(dǎo)致FC電堆入口壓力也下降。當(dāng)質(zhì)量流量為20 g/s時，壓力僅為1.94 bar。在質(zhì)量流量為30 g/s時，最大壓力為2.13 bar。當(dāng)質(zhì)量流量大于40 g/s時，壓力再次降至2 bar以下。這相當(dāng)于額定功率36.8 kW。

4 高度集成的燃料電池分析基礎(chǔ)設(shè)施[4]

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）允許可再生生產(chǎn)的氫能源有效、資源有效和無排放的轉(zhuǎn)化。為了在PEMFC系統(tǒng)領(lǐng)域進(jìn)行應(yīng)用研究，合作研究項目中開發(fā)并建立的一個150 kW功率系統(tǒng)的高度集成的燃料電池分析基礎(chǔ)設(shè)施。奧地利HyCentA Research研究所的Stefan Brandst?tter博士與AVL公司合作，提出了一種具有硬件環(huán)路（HiL）功能的新型開放式測試設(shè)備?？梢詫崟r模擬車輛、駕駛員和駕駛循環(huán)以及電池、電機(jī)、變速器和不同平衡裝置（BoP）部件等動力系統(tǒng)組件。

圖4概述了由氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和空氣/氧氣供應(yīng)系統(tǒng)、水和熱管理系統(tǒng)以及控制單元組成的這些組件。送風(fēng)系統(tǒng)由空氣過濾器、鼓風(fēng)機(jī)或壓縮機(jī)和加濕器組成。水和熱管理系統(tǒng)控制燃料電池堆的溫度和濕度。

圖4 PEMFC系統(tǒng)方案[4]

高度集成的燃料電池分析基礎(chǔ)設(shè)施（HIFAI）概念和設(shè)計是基于汽車燃料電池應(yīng)用的需求和約束條件，HIFAI試驗臺被設(shè)計為燃料電池開發(fā)、特征化、優(yōu)化和系統(tǒng)集成的創(chuàng)新工具。燃料電池系統(tǒng)或被測試單元（UUT）必須在實際運(yùn)行條件下進(jìn)行測試。因此，燃料電池測試基礎(chǔ)設(shè)施必須完成以下功能[4]：

（1）給被測試單元（UUT）提供氫

（2）提供氮?dú)庖郧宄龤錃夤夤芫€，并且使被測試單元（UUT）惰性化

（3）為被測試單元（UUT）提供空調(diào)冷卻劑

（4）為被測試單元（UUT）提供電力負(fù)載

（5）模擬真實環(huán)境條件（環(huán)境艙）

（6）實時仿真虛擬動力總成、車輛和駕駛員（HiL環(huán)境）。

（7）提供測試自動化、數(shù)據(jù)采集和分析。

（8）提供控制器標(biāo)定和參數(shù)化工具。

為了實現(xiàn)每個功能，HyCentA Research研究所已經(jīng)開發(fā)了獨(dú)立的模塊，并組建了燃料電池試驗平臺[4]。

5 PHEV不同駕駛模式對減少溫室氣體的差別效益[5]

5.1 不同駕駛模式分析

豐田公司的Ken Laberteaux進(jìn)行了基于模擬的插電式混合動力電動汽車（PHEV）的等效溫室氣體（GHG）建模，用于在公共調(diào)查數(shù)據(jù)集（如加州家庭旅行調(diào)查（CHTS））中監(jiān)測真實車輛獲得的真實駕駛模式。由PHEV進(jìn)行的等效溫室氣體（GHG）的建模可能具有挑戰(zhàn)性，因為它不僅取決于所討論的車輛設(shè)計和駕駛模式，而且還取決于[5]：

（1）PHEV的全電動續(xù)駛里程（AER）

（2）用于給電池充電的“油井到油箱”（W2T）等效溫室氣體

（3）自上次充電事件以來的先前行程中的電池衰減。

為了應(yīng)對這些建模中的挑戰(zhàn)中，先前采用能量重新分配模型來估算不同充電行為的溫室氣體（GHG）當(dāng)量。

5.2 溫室氣體排放模擬模型

作者的分析依賴于各種車輛模型對任意駕駛軌跡的燃料/能量消耗的模擬（不一定在任何標(biāo)準(zhǔn)測功機(jī)駕駛循環(huán)中）。對于這樣的模擬，美國能源部認(rèn)可了兩個軟件模擬軟件包，即Autonomie和FASTSim。由于作者希望結(jié)果可以被廣泛的研究人員社區(qū)輕松復(fù)制，因為FASTSim是開源的軟件，因此FASTSim是首選軟件。可以從國家可再生能源實驗室免費(fèi)下載。

FASTSim所輸出的結(jié)果包括汽車型號所消耗的燃料和/或電力，插電式混合動力汽車默認(rèn)情況下，每一次旅程以電池充滿狀態(tài)下開始旅行。作者開發(fā)了一種能量再分配模型，用于估計任意初始電荷狀態(tài)下的燃料和電力的正確數(shù)值（從而可以模擬各種充電行為）。圖5展示了2015年美國電網(wǎng)和三種不同的充電行為，應(yīng)用加州家庭旅行調(diào)查（CHTS）數(shù)據(jù)集（車輛和行程稱重）獲得的溫室氣體直方圖：a）CV，b）PHEV10，c）PHEV40。

圖5 三種不同的充電行為[5]