氫燃料電池汽車技術(shù)的研究

1 前言

隨著能源與環(huán)境壓力的影響，新能源汽車核心技術(shù)成為汽車產(chǎn)業(yè)可持續(xù)發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)。目前，新能源汽車大致包括混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（HEV）、純電動(dòng)汽車（BEV，包括太陽(yáng)能汽車）、燃料電池電動(dòng)汽車（FCEV）、其他新能源（如超級(jí)電容器、飛輪等高效儲(chǔ)能器）汽車等。其中，氫燃料電池汽車具有零污染、零排放、長(zhǎng)續(xù)航、無(wú)振動(dòng)、噪聲低等優(yōu)勢(shì)，成為新能源汽車領(lǐng)域的“終極環(huán)保車”。在國(guó)內(nèi)外相關(guān)車企及科研人員的努力下，當(dāng)前國(guó)際氫能燃料電池汽車即將渡過(guò)技術(shù)開(kāi)發(fā)階段，進(jìn)入到市場(chǎng)導(dǎo)入階段。本文針對(duì)國(guó)際上氫燃料電池技術(shù)進(jìn)行以下總結(jié)。

2 氫燃料電池的概述

氫燃料電池實(shí)質(zhì)是一種質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池，是一種清潔能量轉(zhuǎn)換裝置，可以將反應(yīng)的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，可作為傳統(tǒng)車輛內(nèi)燃機(jī)的替代品。氫燃料電池由雙極板（BP）、氣體擴(kuò)散層（GDL）、微孔層（MPL）、催化劑層（CL）和聚合物膜組成。

針對(duì)氫燃料電池內(nèi)部質(zhì)量和傳熱特性及由此產(chǎn)生的性能的影響因素，文獻(xiàn)[1]對(duì)組裝過(guò)程中在雙極板上的機(jī)械應(yīng)力展開(kāi)研究，提出了一個(gè)分析模型，以全面研究夾緊力對(duì)PEM燃料電池的質(zhì)量傳遞、電化學(xué)性質(zhì)和整體電池輸出能力的影響。結(jié)果表明，適當(dāng)?shù)膴A緊力可以有效防止氣體泄漏，還可增加相鄰部件之間的接觸面積，從而降低接觸歐姆電阻。然而，由于變形的產(chǎn)生可能阻礙氣體和液態(tài)水在GDL層的運(yùn)輸，并減少通道中的橫截面流動(dòng)面積。上述因素的組合效應(yīng)最終會(huì)導(dǎo)致電池性能的波動(dòng)。因此，通過(guò)平衡運(yùn)輸特性與燃料電池中的接觸電阻來(lái)優(yōu)化電池性能。通過(guò)使用該分析模型，可以快速預(yù)測(cè)施加在燃料電池上的最優(yōu)電池設(shè)計(jì)參數(shù)和夾緊力。

此外，針對(duì)氫燃料電池的性能優(yōu)化，文獻(xiàn)[2]使用MATLAB/Simulink搭建包含質(zhì)子交換膜燃料電池和開(kāi)關(guān)磁阻電動(dòng)機(jī)及必要接口和控制元件的整體模型。

針對(duì)三個(gè)主要目標(biāo)進(jìn)行單獨(dú)或同時(shí)優(yōu)化：

（1）質(zhì)子交換膜燃料電池堆疊效率;

（2）每安培扭矩比;

（3）轉(zhuǎn)矩平滑因子。

采用6個(gè)控制參數(shù)，即燃料電池的溫度、空氣流量、氣壓、燃料壓力及開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的開(kāi)/閉角，基于蜻蜓算法（Dragonfly Algorithm，DA）進(jìn)行優(yōu)化。其中，蜻蜓算法是一種新型群體智能算法，其主要靈感源于蜻蜓的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)集群行為，而這兩個(gè)集群行為可以等效為優(yōu)化算法中的搜索與開(kāi)發(fā)。數(shù)值結(jié)果表明，基于蜻蜓算法的控制策略能夠增加質(zhì)子交換膜燃料電池堆的節(jié)能，降低氫消耗。

3 氫燃料電池在汽車上的應(yīng)用[3]

自2013年以來(lái)，通用汽車和本田一直致力于燃料電池的合作。目前，以豐田、本田和現(xiàn)代為代表的汽車制造商已經(jīng)開(kāi)始量產(chǎn)燃料電池汽車，以寶馬、奔馳、奧迪、戴姆勒等為代表的汽車制造商也紛紛推出了相應(yīng)的量產(chǎn)技術(shù)，其車輛布局大致如圖2所示：

圖2 氫燃料電池汽車的大致布局[3]

針對(duì)氫燃料電池汽車的運(yùn)行模式，可以簡(jiǎn)化為以下5種模式：空轉(zhuǎn)/低負(fù)載、加速/減速/負(fù)載循環(huán)、啟動(dòng)-停車、冷凍-解凍循環(huán)、來(lái)自環(huán)境和燃料電池降解產(chǎn)物的污染。

針對(duì)加速/減速模式，PEMFC堆棧受需求功率的影響，即取決于環(huán)境條件（如道路情況、駕駛員的駕駛行為）?；谪?fù)載變化對(duì)電池電流、電壓的影響，電壓的上限取決于膜的選擇（厚度/滲透能力），且燃料電池最寬的電壓范圍應(yīng)約為0.60-0.95 V。此外，多個(gè)汽車駕駛循環(huán)（如FUDS循環(huán)、US06、NEDC等）可用于確定ICE的里程數(shù)。

針對(duì)啟動(dòng)-停車模式，如果啟動(dòng)在短暫的停車期間發(fā)生，只要燃料電池的陽(yáng)極中存在殘留的氫氣，則不會(huì)有能量損失。因此，啟動(dòng)和停車之間的時(shí)間間隔是控制PEMFC降解率的重要參數(shù)。在啟動(dòng)-停車過(guò)程中，若想將損失降至最低，緩解方案大致包括：

（1）縮短堆疊以最小化潛在的峰值;

（2）使用高流量的氣體通過(guò)陽(yáng)極;

（3）停車后干燥堆疊;

（4）延長(zhǎng)殘留氫氣在陽(yáng)極的時(shí)間等。

4 氫燃料電池與其它能量源的組合應(yīng)用

在混合動(dòng)力系統(tǒng)中，電池、超級(jí)電容器和燃料電池（FC）均可作為電源。在文獻(xiàn)[4]中，將燃料電池混合動(dòng)力電動(dòng)汽車（FCHEV）的能源管理系統(tǒng)（EMS）與兩個(gè)二次儲(chǔ)能系統(tǒng)（如電池、超級(jí)電容器）相結(jié)合，進(jìn)而得到高性能的儲(chǔ)能系統(tǒng)。在可用的電源中，F(xiàn)C產(chǎn)生低直流電壓，并通過(guò)2個(gè)DC/DC轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為恒定電壓。其中一個(gè)功率轉(zhuǎn)換器將電功率傳遞到車輛的輔助負(fù)載，另一個(gè)轉(zhuǎn)換器通過(guò)直流總線向牽引電動(dòng)機(jī)供電。電池和超級(jí)電容器通過(guò)雙向轉(zhuǎn)換器連接到DC總線。逆變器將產(chǎn)生于FC、電池、超級(jí)電容器的高壓直流電轉(zhuǎn)化為高壓交流電（AC）。

混合動(dòng)力系統(tǒng)中，在FC和超級(jí)電容器的初始冷態(tài)期間，電池作為輔助電源提供瞬態(tài)負(fù)載條件下的功率，并通過(guò)牽引電機(jī)進(jìn)行再生制動(dòng)能量的回收。混合動(dòng)力汽車采用FC+B+UC（燃料電池+電池+超級(jí)電容）驅(qū)動(dòng)時(shí)，超級(jí)電容器為瞬態(tài)驅(qū)動(dòng)條件提供補(bǔ)充能源。超級(jí)電容器通過(guò)雙向DC/DC轉(zhuǎn)換器并聯(lián)到DC，此時(shí)超級(jí)電容器可以提供峰值功率和制動(dòng)能量，可減少FC堆疊和電池重量，并進(jìn)一步延長(zhǎng)電池壽命。

此外，燃料混合動(dòng)力汽車還可與鋰離子電池相結(jié)合，以滿足混合動(dòng)力電動(dòng)汽車的動(dòng)力需求[5]。由于在FC對(duì)負(fù)載需求的突變響應(yīng)中發(fā)生的時(shí)間延遲表明了FC堆棧實(shí)際上是具有低速動(dòng)態(tài)響應(yīng)的電源，同時(shí)FC堆棧無(wú)法存儲(chǔ)減速和制動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的再生功率，因此需要額外的設(shè)備，如可充電電池或超級(jí)電容。因此，構(gòu)建FC/鋰離子電池混合動(dòng)力源模型，PEMFC電池組用作主電源，鋰離子可充電電池用作輔助能量源。單向DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器與PEMFC堆棧相連，雙向DC/DC升壓-降壓轉(zhuǎn)換器與鋰離子電池相連，三相異步電動(dòng)機(jī)與牽引電機(jī)的三相雙向PWM DC/AC逆變器相連，通過(guò)功率控制單元將DC回路電壓調(diào)節(jié)到特定的恒定值[5]。通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明在額定功率附近，該構(gòu)型具有96.1%的效率、高精度的DC回路電壓調(diào)節(jié)。FC/鋰離子電池混合動(dòng)力汽車與FCHEV中使用其他動(dòng)力源的現(xiàn)有技術(shù)相比較，在功率效率和速度方面，F(xiàn)C/鋰離子電池混合動(dòng)力汽車展示了更好的性能。

5 總結(jié)

目前氫燃料電池汽車已經(jīng)取得階段性進(jìn)步，主要技術(shù)進(jìn)步如下：燃料電池技術(shù)成本和耐久性取得一定進(jìn)展；基于70 MPa儲(chǔ)氫技術(shù)，續(xù)駛里程得到提高；燃料電池壽命滿足商用要求；低溫環(huán)境適應(yīng)性提高，可適應(yīng)零下-30℃氣候，車輛適用范圍達(dá)到傳統(tǒng)車水平。未來(lái)，汽車行業(yè)將繼續(xù)以高品質(zhì)產(chǎn)品為核心，進(jìn)一步拓寬環(huán)保車型開(kāi)發(fā)藍(lán)圖，為汽車的可持續(xù)發(fā)展繼續(xù)努力。