燃料電池對標技術解析

郭 婷，王 芳，楊沄芃

(中國汽車技術研究中心有限公司， 天津 300300)

我國目前主要以電-電混合的增程式燃料電池動力系統(tǒng)為主，燃料電池的功率輸出較小，還面臨許多卡脖子的技術，如在燃料電池冷啟動能力、燃料電池系統(tǒng)的控制策略、燃料電池堆的體積功率密度、高速無油空壓機產業(yè)化技術等多方面。國際上先進的燃料電池國家和企業(yè)，其基礎設施和法律法規(guī)目前都趨于完善，在技術上也較成熟，但并沒有好的市場；而國內恰好相反，國家政策的支持和行業(yè)的引導使其有很好的市場(趨勢)，但是在氫能產業(yè)鏈、安全生產、關鍵技術方面與國外還有不小差距。

本文通過對比國內外的燃料電池相關標準法規(guī)，以及國內外先進燃料電池的測試數(shù)據(jù)，對影響燃料電池的關鍵技術進行解析，為燃料電池的技術提升提供參考。

1 標準法規(guī)對比

目前，針對燃料電池的標準法規(guī)體系國內外有明顯的不同，中國的法規(guī)是依據(jù)國情進行自主判定，而國外大部分法規(guī)是根據(jù)協(xié)定國的標準進行共同制定，如日本、韓國、美國等協(xié)定國進行商定，共同制定歐標、美標等。我國標準體系分為整車級標準和部件級標準，標準體系正在完善中。國際上只有整車級標準，沒有部件級標準。

燃料電池標準體系中最注重整車氫安全，國內主要依據(jù)GB/T 24549—2009[1]進行法規(guī)認證，國際主要依據(jù)GTR13[2]和UNR134[3]，GTR13與UNR134除歸屬不同外，其內容完全相關。國內外主要有以下幾點不同：第一，GB/T 24549—2009[1]中主要是包含整車的功能安全、氫安全和電安全，而國際標準GTR13[2]和UNR134[3]大部分的測評研究集中在氣瓶本身；第二，國際標準GTR13[2]和UNR134[3]中針對氫安全的測評內容更加詳細，包括車內的供氫氫氣傳感器的測評，車內氫氣濃度的測評等。我國關于整車級的其他性能方面的標準，如燃料消耗量、續(xù)駛里程測量等，都在相繼的制定中，暫時沒有標準出臺。

部件的測評目前采用的標準有加氫口(GB/T 26779—2011)[4]、車載氫系統(tǒng)(GB/T 26990—2011)[5]、燃料電池系統(tǒng)(GB/T 24554—2009)[6]等，都是強制執(zhí)行的推薦性標準；針對車用氫氣瓶，采用GB/T 35544—2017[7]進行產品認證，包括對氣瓶的常規(guī)試驗和耐久試驗，如火燒試驗，溫度壓力循環(huán)試驗，環(huán)境試驗等。而國際標準GTR13[2]和UNR134[3]將這部分內容與整車氫安全放到了一個標準中。

為了使燃料電池的標準全球統(tǒng)一化，我國在修訂GB/T 24549—2009[1]的過程中也參考了國際標準GTR13[2]。標準的制定與行業(yè)的發(fā)展不匹配是目前制約燃料電池產業(yè)化的重要因素，我國也積極參與國際相關標準的制修訂，加快燃料電池標準體系的搭建。

2 關鍵技術對比

2.1 國內外技術水平狀況

針對燃料電池部件級的檢測，最重要的是對燃料電池系統(tǒng)的性能檢測。國內對燃料電池系統(tǒng)的檢測按照GB/T 24554—2009[6]進行。部分國內先進的燃料電池測試結果見表1。在功率方面，已經由原來補貼要求的30 kW上升到40 kW及以上的水平;在啟動的時間上也有很大程度的減少，目前已能夠達到在5 s內完成啟動的技術水平；冷啟動方面也能夠達到 -10 ℃甚至是-20 ℃的能力；效率方面，在功率密度方面還有待于繼續(xù)提高。

表1 部分國內先進燃料電池的測試結果

在國際方面，以豐田、本田、現(xiàn)代為首的燃料電池系統(tǒng)屬于國際一流水平，功率均在100 kW以上，在壽命和冷啟動等關鍵參數(shù)上也能夠滿足乘用車商用化的需求，部分國際先進燃料電池指標參數(shù)見表2。

表2 部分國際先進燃料電池指標參數(shù)

可以看到，在系統(tǒng)層級的技術上雖然已經有極大的提升，但是在許多關鍵技術上還與國外有一定的差距，如冷啟動的能力、系統(tǒng)的控制集成能力及水管理和熱管理能力。

2.2 冷啟動技術

低溫冷啟動一直是燃料電池汽車廠家不斷追求的技術。我國目前沒有針對燃料電池整車和關鍵部件的低溫冷啟動測試標準要求，正在修訂的GB/T 24554—2009[6]中會修改燃料電池發(fā)動機在低溫下的啟動要求?，F(xiàn)階段，對于質子交換膜燃料電池在無外援輔助的情況下進行低溫冷啟動較困難，大部分都是采用外部輔助的方法，如保溫法、加熱法和吹掃法。

豐田燃料電池汽車Mirai具備-30 ℃低溫冷啟動的能力[8]，主要采用吹掃的模式，對內部的水含量進行嚴格的監(jiān)控和把關。具體的水控制邏輯為系統(tǒng)啟動-快速暖機-水含量控制-關機吹掃-停機吹掃，通過這幾個步驟對內部的水含量進行嚴格控制。

Ballard 公司采用保溫法提升燃料電池冷啟動的能力，其型號1100燃料電池模塊能夠在無外援的情況下在-15 ℃進行啟動。其主要的方法是利用電堆中安裝的保溫箱將冷卻水溫度保存下來，下次啟動時利用保存的溫度進行加熱。

國內大部分燃料電池系統(tǒng)還是采用吹掃和保溫的方法，在進入環(huán)境艙進行低溫測試之前，保證內部的水完全吹干，在進行12 h的冷凍后，通過外部熱源加熱進行低溫啟動，目前一般能夠達到-15 ℃的水平，但時間較長。

2.3 集成技術

燃料電池發(fā)動機一直在與傳動發(fā)動機進行對比，其小型化和能量密度一直是各大車企追求的目標。為了更好地解析燃料電池系統(tǒng)的集成技術，需要先了解其包含的主要零部件。燃料電池系統(tǒng)主要包括空氣供應、氫氣供應和熱管理等系統(tǒng)。空氣供給系統(tǒng)主要包含空壓機、過濾器、空氣截止閥和背壓閥等。氫氣供給系統(tǒng)的主要零部件有氫氣循環(huán)泵、隱射器、氫氣截止閥、吹掃閥、排水閥等。熱管理系統(tǒng)主要包含水泵、散熱器、加熱器和雙向閥等。為了提高集成度，燃料電池系統(tǒng)在設計之初就要將其考慮在內。如韓國現(xiàn)代汽車公司開發(fā)的NEXO燃料電池系統(tǒng)[9](圖1)，與傳統(tǒng)的發(fā)動機外觀極其相似，為了使體積做到更小，其主要采用以下幾種措施：一是采用了全新的熱管理系統(tǒng)，利用雙向閥門和四向閥門改善電堆制冷劑的溫度控制的響應性；二是在空氣控制系統(tǒng)一側，空氣進氣閥和空氣出氣閥集成為一個小的零部件；三是氫氣循環(huán)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的循環(huán)方式變成引射器模式，大大減小了體積。

圖1 NEXO燃料電池系統(tǒng)圖例

本田汽車公司對Clarity 也進行了小型化的研究，其質量功率密度居于世界領先水平。其小型化的設計原則是降低零部件的體積，提高能量的利用回收率：首先是通過取消電池的隔離橡膠來減少燃料電池堆的尺寸，同時保證了燃料電池內部不會被腐蝕；其次是通過調節(jié)冷卻劑的電導率和冷卻泵的體積，改變冷卻系統(tǒng)管道長度等方法，成功地將冷卻系統(tǒng)的體積減小20%。

3 結束語

面對目前在燃料電池技術水平上的差距，本文分析了影響燃料電池汽車性能的幾點關鍵因素，包括冷啟動能力、系統(tǒng)的集成度以及國家標準法規(guī)政策等方面，并對國外先進的燃料電池整車及零部件進行了對標分析。