氫燃料電池汽車核心技術(shù)應(yīng)用介紹

燃料電池電動汽車（FCEV）已被視為未來汽車工業(yè)愿景，在過去的十年中，越來越多的概念和原型被引入。在技術(shù)發(fā)展的同時，最近關(guān)于全球變暖和氣候變化的討論為零排放汽車帶來了公眾的支持。盡管有進(jìn)展和支持，F(xiàn)CEV的引入速度仍不理想。本文主要介紹了燃料電池汽車核心技術(shù)應(yīng)用案例，包括燃料電池汽車碰撞實(shí)驗(yàn)傳感器技術(shù)要求、兩級減壓系統(tǒng)、燃料電池動力總成系統(tǒng)衰減機(jī)理、燃料電池阻抗檢測器技術(shù)、先進(jìn)熱管理系統(tǒng)和燃料電池汽車技術(shù)路線圖的制定。

1 氫燃料電池汽車碰撞實(shí)驗(yàn)對傳感器要求

（1）在FCEV碰撞試驗(yàn)中監(jiān)測氫/氦的傳感器和方法[1]

NREL(National Renewable Energy Laboratory)和JRC(Joint Research Centre)傳感器實(shí)驗(yàn)室完成了兩項(xiàng)與氫氣監(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。在第一項(xiàng)研究中，NREL有機(jī)會在實(shí)際碰撞試驗(yàn)中使用氫傳感器測試示范FCEV。該項(xiàng)目的目標(biāo)是確定一種能夠響應(yīng)氫氣或氦氣釋放的傳感器或傳感器方法，確定可以在車輛碰撞測試的影響下存活的技術(shù)，并且仍然滿足驗(yàn)證FCEV燃料系統(tǒng)完整性的計量要求。NREL和JRC的第二項(xiàng)研究評估了GTR（Global Technical Regulation）的建議，即通過測量車廂內(nèi)氧氣的減少可以進(jìn)行氫氣測定。

（2）用于在碰撞試驗(yàn)后驗(yàn)證燃料系統(tǒng)完整性的傳感器[1]

雖然有各種氫傳感器平臺可以響應(yīng)氫氣，但大多數(shù)都不會對氦氣做出反應(yīng)。這是一個值得關(guān)注的問題，因?yàn)镚TR允許氦氣在車輛碰撞試驗(yàn)中用作氫的替代物。在演示碰撞試驗(yàn)中，車輛燃料系統(tǒng)用氦氣加壓。后碰撞試驗(yàn)條件的一個具體要求是，在碰撞試驗(yàn)撞擊后1小時內(nèi)，氫氣不得在任何車廂（例如乘客艙，行李箱，燃料電池外殼）中累積至濃度大于4%，或者如果氦是用作替代品，不超過3 vol%。

一種對氫和氦敏感的傳感器平臺是導(dǎo)熱（TC）傳感器，其可從許多供應(yīng)商處商業(yè)獲得，包括以物理上堅固的封裝配置的模型。盡管TC傳感器對氫氣與氦氣的靈敏度不同，如圖1所示，但這不是一個問題，因?yàn)樵谂鲎苍囼?yàn)中，會確定是否使用氦氣或氫氣。當(dāng)然，氫氣將始終用于正常的車輛操作。

圖1 （上）商用TC傳感器對0.2，1.0和2.0 vol%H 2和He的響應(yīng)[1]；（下）傳感器對氫和氦的相應(yīng)最終指示。傳感器經(jīng)過工廠標(biāo)定，輸出相當(dāng)于vol%H 2的響應(yīng)[1]

經(jīng)過標(biāo)定的傳感器成功地監(jiān)測車輛乘客艙內(nèi)和燃料箱附近車輛下方燃料系統(tǒng)的完整性。雖然檢測到少量氦氣釋放，但這些被認(rèn)為主要是碰撞試驗(yàn)程序造成的，并且車輛顯示符合GTR。該研究的主要結(jié)論包括[1]：

●TC傳感器兼容氫和氦測量；

●適當(dāng)封裝的TC傳感器與車輛碰撞測試兼容，并具有GTR要求的計量性能規(guī)格；

●如果在車廂內(nèi)積聚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小時保持期間實(shí)時接觸傳感器輸出（例如通過遙測）。

2 兩級高壓減壓系統(tǒng)

氫燃料電池汽車的核心部件之一是氫減壓系統(tǒng)，浙江大學(xué)、瑞典Lund大學(xué)與Hangzhou Worldwides Valve公司合作項(xiàng)目中對減壓系統(tǒng)進(jìn)行了分析，圖2顯示了新設(shè)計的兩步高壓減壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。該系統(tǒng)由兩部分組成，新型HMSPRV和多級消聲器。與老型號的HMSPRV相比，這種新設(shè)計的兩級高壓減壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要包括三級套筒用于取代單級套筒以降低噪音，與老型號HMSPRV相比，新設(shè)計的兩段式高壓減壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)改進(jìn)主要包括：采用三級套筒代替一級套筒降噪；首次采用減壓系統(tǒng)。此外，閥體結(jié)構(gòu)從角型改為貫通型，以減少氫氣流對閥體的影響。此外，為了改善流場，閥室被擴(kuò)展并設(shè)計為弧形過渡。此外，孔板孔的直徑減小以控制噪音。另外，為了減少噪音和振動，調(diào)整閥芯的壁厚。

圖2 兩步高壓減壓系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)[2]

該新設(shè)計的兩級高壓減壓系統(tǒng)的工作原理如下。氫氣從閥門入口流入，然后進(jìn)入閥門，套筒中的第一級節(jié)流部件。在流出這些套管孔以實(shí)現(xiàn)三級減壓過程后，氫氣將進(jìn)入閥芯。接下來，氫氣流過孔板孔并從新的HMSPRV中流出。綜上所述，氫氣在閥門中完全經(jīng)歷了五級減壓過程。之后，氫氣流入多級消聲器，并依次流過這些消聲器孔。在這種程度上，整個減壓過程完成。

新設(shè)計的兩級高壓減壓系統(tǒng)具有降噪、實(shí)現(xiàn)多級減壓過程、改善流場和處理復(fù)雜條件等優(yōu)點(diǎn)。

3 燃料電池電動汽車的動力總成系統(tǒng)衰減機(jī)理研究

燃料電池動力總成耐久性是燃料電池汽車大規(guī)模商用應(yīng)用的主要技術(shù)瓶頸之一，研究其耐久性的實(shí)質(zhì)問題是要研究電池堆在典型工況的衰減機(jī)理，這些典型工況包括啟動和關(guān)閉、怠速、大負(fù)荷和動態(tài)負(fù)荷，動態(tài)負(fù)荷和大負(fù)荷是燃料電池耐久性研究的重點(diǎn)，同濟(jì)大學(xué)在這方面的研究處于國際領(lǐng)先地位，他們提出了燃料電池衰減的機(jī)理。當(dāng)然通過優(yōu)化燃料電池汽車能量管理策略，可以減低導(dǎo)致電池衰減的工況運(yùn)行時間。

（1）PEMFC在動態(tài)載荷循環(huán)中的衰減機(jī)理

由于道路交通的復(fù)雜性，有必要研究真實(shí)動態(tài)載荷下的燃料電池耐久性。雖然大多數(shù)關(guān)于穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下燃料電池壽命的實(shí)驗(yàn)都證明了可接受的結(jié)果，衰減率在2到10μV/h之間，但它們的運(yùn)行時間遠(yuǎn)小于40 000 h。至于AST，幾乎所有的裂化率都大于10μV/h。研究人員發(fā)現(xiàn)，大部分性能損失是由于Pt/C陽極材料的衰減造成的。它是由測試中使用的快速變化的負(fù)載頻率引起的，并最終導(dǎo)致嚴(yán)重的燃料/空氣不足，Ptnano顆粒生長和聚集。更重要的是PEM稀釋和催化層（CL）衰變是在這種加速衰減測試下永久性能降低的兩個主要原因。負(fù)載循環(huán)中的燃料電池性能下降主要有以下三種機(jī)理[3]：

1）燃料電池短期反應(yīng)物饑餓導(dǎo)致單電池“反轉(zhuǎn)”現(xiàn)象，并且局部熱點(diǎn)出現(xiàn)在膜電極組件（MEA）或鉑催化劑表面。碳載體可直接參與化學(xué)反應(yīng)并被破壞。

2）燃料電池負(fù)荷變化會導(dǎo)致陰極電位頻繁變化在0.6-0.9 V之間，并會加速催化劑的溶解速率和碳載體的氧化速度。

3）對水和熱管理的更高要求可能導(dǎo)致水淹、脫水或燃料電池的高溫，這會使反應(yīng)物更加頻繁地匱乏。

（2）PEMFC在怠速和重載循環(huán)中下的衰減機(jī)理

許多學(xué)者指出，當(dāng)燃料電池在高輸出功率下運(yùn)行時，燃料電池性能將更快地衰減。Jian Xie分析了恒流輸出時的燃料電池極化曲線，發(fā)現(xiàn)當(dāng)電流密度大于0.8 A/cm2時，F(xiàn)C輸出電壓明顯加速[4]。

另外，當(dāng)FCEV在低負(fù)荷條件下連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)時，反應(yīng)氣體進(jìn)口速率低。根據(jù)Turhan的研究，當(dāng)反應(yīng)氣體流速較低時，液態(tài)水會在流動通道中積聚[3]。同時，當(dāng)進(jìn)氣速率低時，F(xiàn)C內(nèi)部壓力會降低，這可能會導(dǎo)致水飛濺。淹沒可以阻擋氣體擴(kuò)散層（GDL）的小孔，阻礙反應(yīng)氣體到達(dá)催化表面，導(dǎo)致反應(yīng)氣體饑餓。然后FC輸出電壓立即降低，甚至發(fā)生反極性現(xiàn)象，導(dǎo)致燃料電池性能衰減。此外，從燃料電池效率曲線可以看出，燃料電池在低負(fù)荷范圍內(nèi)通常是低效的，這不利于燃料電池混合系統(tǒng)的整體效率提高。對于重載條件下的燃料電池性能退化機(jī)理，R Lin指出高電流密度會影響膜-催化劑的耦合，改變催化劑形狀和催化劑粒徑，這將導(dǎo)致燃料電池在高電流密度下的降解速率比低電流密度快得多[3]。

4 燃料電池阻抗檢測器的配置[5]

（1）燃料電池等效電路

燃料電池的等效電路如圖3所示.Rmem是聚合物電解質(zhì)膜的電阻，RACT是電阻，因?yàn)榇呋瘎又袣浜脱踔g的化學(xué)反應(yīng)速率不同，CDK是陰極（氧）側(cè)電極和離子傳導(dǎo)之間的電荷雙層的電容分量。

圖3 燃料電池等效電路[5]

公式（1）可以代表圖3的等效電路。如果頻率為“0”，則組合阻抗為Rmem+RACT，如果頻率為無窮大，則組合阻抗變?yōu)镽mem。雖然每個燃料電池的特性是不同的，但是已知當(dāng)頻率高于300 Hz時可以獲得無限頻率阻抗的Rmem。

燃料電池聚電解質(zhì)膜的電阻與水含量高度相關(guān)。當(dāng)電解質(zhì)膜含有大量水分時，電阻變小，而當(dāng)水分含量小時，電阻增加。根據(jù)電解質(zhì)膜的電阻特性，可以確定水的狀態(tài)?？梢赃m當(dāng)?shù)乜刂凭酆衔镫娊赓|(zhì)膜的含水量，并且可以提高燃料電池的耐久性和性能。

（2）燃料電池阻抗檢測器的配置

在本文中，未檢測到燃料電池的單元電池的阻抗，并且檢測燃料電池堆的阻抗，即整個電池的總阻抗。使用AC阻抗方法的燃料電池堆的阻抗檢測方法。燃料電池阻抗檢測器由三部分組成：交流發(fā)電機(jī)、堆電壓/電流測量器和阻抗計算單元。

交流電流產(chǎn)生部分用于將交流電流注入燃料電池堆，并具有方波或正弦波產(chǎn)生方法。正弦波生成方法是使用DC/AC轉(zhuǎn)換器或DC/DC轉(zhuǎn)換器的方法。在本文中，使用DC/DC轉(zhuǎn)換器，并且使用非隔離雙向轉(zhuǎn)換器。堆電壓/電流測量單元通過注入的交流電流測量在燃料電池堆中產(chǎn)生的電壓和電流的交變信號。阻抗計算單元通過對所測量的堆疊的電壓和電流的AC分量的頻率分析來獲得特定頻率的大小，并使用該結(jié)果來計算阻抗。

5 熱管理系統(tǒng)[6]

燃料電池在運(yùn)行時會產(chǎn)生大量的熱，燃料電池的性能對溫度的反應(yīng)比較敏感，電池組性能與壽命受到電池自身溫度與電池組內(nèi)部溫度均勻性的影響較大。因此，在進(jìn)行電池模塊的設(shè)計時必須考慮電池組的熱管理系統(tǒng)。

熱管理系統(tǒng)的目的是獨(dú)立于環(huán)境溫度控制工作溫度。另一個目標(biāo)是將溫度擴(kuò)散限制在最大10K。

由于廢氣熱量在大約80°C時釋放，而內(nèi)燃機(jī)的溫度為120°C，因此需要大約兩倍的冷卻器表面。因此，BREEZE的冷卻器是全新設(shè)計的。使用縱梁之間的整個寬度，并且冷卻器深度顯著增加。大型單風(fēng)扇由6個較小的風(fēng)扇取代。此外，雙極板、冷卻器和端板設(shè)計用于最小化壓力損失。冷卻流體循環(huán)由架式系列泵驅(qū)動泵參數(shù)為12 V、最大功率約為200 W。圖4提供了整個冷卻系統(tǒng)的概述。在40℃的環(huán)境溫度和80℃的冷卻劑溫度下，可以在約100 km/h的車速和全風(fēng)扇功率下提供超過36 kW的FC總功率。這使得平原中的充電維持模式能夠達(dá)到120 km/h。

圖4 帶有FC-REX的FEV Liiona冷卻系統(tǒng)（用于電力電子設(shè)備的低溫冷卻回路和灰色的電動機(jī)，用于FC系統(tǒng)的黑色高溫冷卻回路）[6]

由于FEV Liiona冷卻回路的溫度水平限制在55°C，但燃料電池冷卻回路中的溫度可以達(dá)到80°C，冷卻系統(tǒng)被分成兩個回路。對于增程器，用于電動壓縮機(jī)的油冷卻器和逆變器以及用于將FC堆棧連接到FEV Liiona的高壓總線的升壓轉(zhuǎn)換器。增壓空氣冷卻器和電動徑向壓縮機(jī)的電動機(jī)被冷卻，3/2-通混合閥允許控制離開REM冷卻流體的一部分通過高溫冷卻器。因此，可以根據(jù)冷卻負(fù)荷自由地控制溫度水平。兩個離子交換器分別與高溫冷卻器和增壓空氣冷卻器平行安裝，以確保冷卻流體在所有操作模式下都通過離子交換器流動。

6 鷹眼FCEV路線圖的制定[7]

氫能和氫燃料電池技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)上的應(yīng)用已經(jīng)進(jìn)入了發(fā)展的快車道，如何在發(fā)展愿景的大背景下制定氫燃料電池汽車發(fā)展技術(shù)路線圖是企業(yè)核心技術(shù)規(guī)劃的能力建設(shè)的一部分，包括創(chuàng)新技術(shù)預(yù)測、技術(shù)前景評估、技術(shù)生命周期、技術(shù)價值鏈、技術(shù)市場應(yīng)用、顧客吸引度及利益攸關(guān)方等。俄羅斯的國家高等經(jīng)濟(jì)大學(xué)的知識經(jīng)濟(jì)和統(tǒng)計研究院的Ozcan Saritas教授帶領(lǐng)的研究團(tuán)隊，對氫燃料電池汽車技術(shù)進(jìn)行了技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析，提出了技術(shù)路線圖方法。

這里給出的路線圖模板是基于市場驅(qū)動和技術(shù)驅(qū)動的方法設(shè)計的，該方法從市場需求分析開始。FCEV路線圖的詳細(xì)描述包括對市場和客戶的關(guān)鍵需求的分析、幾種場景中可能的市場開發(fā)、對特定類型FCEV的未來需求的估計及相關(guān)要求，包括潛在的措施和活動以及利益相關(guān)方的論證。它還要求在識別未來動態(tài)的基礎(chǔ)上，對技術(shù)創(chuàng)新和產(chǎn)品開發(fā)進(jìn)行綜合分析。因此，F(xiàn)CEV路線圖允許考慮技術(shù)和市場兩方面，提供市場拉動和技術(shù)推動方法的組合。該過程將產(chǎn)生一個路線圖，展示新產(chǎn)品和技術(shù)，這對于實(shí)現(xiàn)既定目標(biāo)和包含經(jīng)濟(jì)評價和比較未來發(fā)展的替代路徑的商業(yè)地圖是很重要的。此外，路線圖應(yīng)提供市場拉動的詳細(xì)分析，包括以下內(nèi)容：產(chǎn)品應(yīng)用領(lǐng)域確定技術(shù)解決方案的需求、FCEV不同細(xì)分市場的特殊性、技術(shù)設(shè)施與消費(fèi)者需求之間的平衡、技術(shù)軌跡的經(jīng)濟(jì)估算、利益相關(guān)方分析以及旨在支持市場化技術(shù)和產(chǎn)品的建議。它還將特別關(guān)注技術(shù)推動因素的描述：為FCEV提供競爭優(yōu)勢的技術(shù)、技術(shù)限制、優(yōu)先技術(shù)任務(wù)和揭示跨學(xué)科技術(shù)。

FCEV路線圖的主要結(jié)構(gòu)在圖5上給出：路線圖模板包括四個主要層面[7]：

技術(shù)層面：該層包含已識別時間范圍內(nèi)的預(yù)期技術(shù)的描述。它提供了對這些技術(shù)的SWOT分析，總結(jié)了每種技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)和局限性。它還提供了滿足市場需求所需的目標(biāo)屬性的預(yù)測，以及為實(shí)現(xiàn)這些功能而必須完成的一系列主要技術(shù)任務(wù)。最后，它提供了一個機(jī)會，可以根據(jù)實(shí)施準(zhǔn)備情況和潛在影響估算每種技術(shù)的前景。

產(chǎn)品層面：該層提供了預(yù)期產(chǎn)品的簡要描述，包括商業(yè)化的準(zhǔn)備程度和研究區(qū)域的潛在影響。它還估算了商業(yè)化的潛在時間以及每種產(chǎn)品最具潛力的市場定位。

市場層面：將基于鷹眼視圖方法詳細(xì)闡述潛在的FCEV市場發(fā)展情景。該路線圖將簡要介紹主要市場的特點(diǎn)以及每個方案和每個市場的可能策略。因此，所有市場描述應(yīng)該從最有前景的到最小的順序進(jìn)行。

備選方案：該路線圖還揭示了替代產(chǎn)品和解決方案的可能發(fā)展。它考慮了主要產(chǎn)品屬性的動態(tài)和這些產(chǎn)品的出口機(jī)會及其成本。

FCEV路線圖揭示了實(shí)現(xiàn)市場目標(biāo)和選擇有效資源配置的替代方法。該路線圖考慮了制造和市場發(fā)展、技術(shù)、產(chǎn)品和服務(wù)的前景，有助于設(shè)計從FCEV的技術(shù)到市場入口的復(fù)雜創(chuàng)新價值鏈，并允許建立將FCEV開發(fā)與其他相關(guān)行業(yè)（供應(yīng)商和消費(fèi)者）聯(lián)系起來的戰(zhàn)略相關(guān)產(chǎn)品/技術(shù)。它整合了專家組對FCEV及相關(guān)領(lǐng)域的創(chuàng)新發(fā)展方式的看法，提供了一套有根據(jù)的創(chuàng)新發(fā)展軌跡，并指出了主要的分支作為關(guān)鍵決策的要點(diǎn)。應(yīng)定期更新路線圖，以提高其決策的實(shí)用價值。

圖5 路線圖結(jié)構(gòu)[7]

7 結(jié)束語

近年來燃料電池電動汽車技術(shù)快速發(fā)展的同時，仍有許多問題亟待解決。本文主要介紹了燃料電池汽車核心技術(shù)應(yīng)用案例，不僅包括在汽車碰撞實(shí)驗(yàn)中對傳感器的技術(shù)要求、阻抗檢測器的配置，也包括燃料電池電動汽車的兩級減壓系統(tǒng)、燃料電池動力總成系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)相關(guān)技術(shù)的介紹，最后對燃料電池汽車技術(shù)路線圖的制定做了簡要概括。本文通過介紹氫燃料電池汽車中的一些核心技術(shù)，為相關(guān)方向提供了技術(shù)參考與支持。