新型商用車燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置

S.ROTHGANG S. NIGRIN M.BENRA M.BECKER

將燃料電池用作動(dòng)力裝置有利于商用車技術(shù)的發(fā)展。燃料電池在續(xù)航里程和充電時(shí)間等方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)蓄電池。為了實(shí)現(xiàn)相關(guān)技術(shù)的推廣，必須進(jìn)一步降低成本。該目標(biāo)可通過調(diào)整燃料電池尺寸，推進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)化進(jìn)程，以及提高系統(tǒng)可靠性而實(shí)現(xiàn)。Pierburg公司目前已開發(fā)出了全新的燃料電池產(chǎn)品，以此滿足未來商用車燃料電池驅(qū)動(dòng)裝置在品質(zhì)、安全性和使用壽命等方面的需求。

商用車;燃料電池;質(zhì)子交換膜燃料電池;蓄電池

0?前言

在過去的20年中，燃料電池的發(fā)展雖然呈現(xiàn)出多樣化的趨勢(shì)，但其在商用車驅(qū)動(dòng)裝置領(lǐng)域中，至今仍未出現(xiàn)實(shí)質(zhì)性的突破。早在20世紀(jì)，部分城市客車也曾小批量地使用過燃料電池，但是其技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)仍集中在轎車領(lǐng)域。近年來，研究人員將燃料電池的應(yīng)用領(lǐng)域逐步過渡到商用車方向。這主要是由于降低CO2排放的歐盟商用車法規(guī)已于近期正式通過。該法規(guī)規(guī)定在2030年之前，車輛CO2排放必須比目前基準(zhǔn)階段降低30%。這個(gè)目標(biāo)促使電驅(qū)動(dòng)力總成系統(tǒng)逐步取代車用柴油機(jī)，從而推動(dòng)了商用車燃料電池的應(yīng)用。與蓄電池相比，燃料電池的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)在行駛里程較長(zhǎng)和燃料加注時(shí)間較短等方面，同時(shí)還可顯著優(yōu)化整車布置方式，并實(shí)現(xiàn)輕量化，從而有效改善整車經(jīng)濟(jì)性（表1）。此外，如果以不增加CO2排放為前提，以此能進(jìn)一步凸顯燃料電池的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，因?yàn)槠淠芰棵芏雀哂谛铍姵兀瑯右哺纳屏酥圃爝^程中對(duì)環(huán)境造成的負(fù)面影響。

1?降低成本是重要的挑戰(zhàn)

在德國(guó)，燃料電池技術(shù)已較為成熟，并能投入大批量生產(chǎn)，但目前面臨的1項(xiàng)重要挑戰(zhàn)是加氫站的規(guī)模及數(shù)量依然較為有限。除此之外，研究人員仍需要進(jìn)一步降低燃料電池系統(tǒng)的制造成本。在控制成本方面，科技界和工業(yè)界都已取得了重要進(jìn)展。目前，除了燃料電池堆自身以外，對(duì)成本影響最大的因素是燃料供給裝置和輔助設(shè)備。為此，現(xiàn)階段的燃料電池系統(tǒng)具有多種尺寸形式可供選擇，并且其技術(shù)性能可滿足不同的功率需求[1]。另外，目前市場(chǎng)上現(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)和功率等級(jí)需要實(shí)現(xiàn)統(tǒng)一化和標(biāo)準(zhǔn)化。

當(dāng)今在汽車領(lǐng)域廣受關(guān)注的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC），除了開放式系統(tǒng)中的氧供給系統(tǒng)之外，共有2種封閉式循環(huán)回路可供選擇。其中1種用于燃料電池堆的熱調(diào)節(jié)，另外1種則用于供應(yīng)氫燃料[1-2]。燃料電池系統(tǒng)的整個(gè)外圍設(shè)備通常被稱為輔助控制系統(tǒng)（BoP），采用了機(jī)電一體化組件，其成本約為整個(gè)系統(tǒng)的25%（圖1）。

2?構(gòu)件的繼承和標(biāo)準(zhǔn)化是關(guān)鍵

Pierburg公司多年來大批量制造了可用于PEMFC系統(tǒng)的各類零部件，以及其他與燃料電池密切相關(guān)的輔助產(chǎn)品。目前，該公司將研發(fā)重點(diǎn)集中在陰極閥、冷卻液泵及氫再循環(huán)增壓器等方面（圖2和圖3）。

冷卻液泵和氫增壓器有著較高的標(biāo)準(zhǔn)化要求，同時(shí)還需要配備一定比例的通用件，才能使產(chǎn)品的成本和品質(zhì)與技術(shù)轉(zhuǎn)換、使用壽命及運(yùn)行安全性等因素實(shí)現(xiàn)協(xié)調(diào)一致，并使新開發(fā)的高電壓冷卻液泵和經(jīng)改進(jìn)的氫增壓器得以充分利用。為了進(jìn)一步提高通用件比例并降低開發(fā)費(fèi)用，研究人員將冷卻液泵、氫增壓器、大容量電機(jī)、功率電子器件（換流器）等高電壓部件和軟件進(jìn)行分開設(shè)計(jì)，并且將全部的機(jī)械和電子組件集成在圓柱形整體式殼體中，其中包括轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)組件、電機(jī)及其他電子器件（圖4）。

考慮到汽車制造商的設(shè)計(jì)和安全性規(guī)定，電機(jī)和電子器件基本上是按LV123/124標(biāo)準(zhǔn)而設(shè)計(jì)的，因此確保了最高電壓等級(jí)為800 V的HV2b和HV3 等設(shè)備的安全使用。電機(jī)運(yùn)行所使用的高電壓功率電子器件通常會(huì)與電壓系統(tǒng)和控制器局域網(wǎng)絡(luò)（CAN）總線接口進(jìn)行分開布置。電子器件直接與無刷直流同步電動(dòng)機(jī)（BLDC）相連，以便遵循ECE-R10標(biāo)準(zhǔn)，并確保系統(tǒng)的可靠性和電磁特性。冷卻液泵和氫增壓器具有無級(jí)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)、系統(tǒng)診斷和選擇性網(wǎng)絡(luò)管理功能。

接觸介質(zhì)的轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)組件與電子器件的密封隔離可通過塑料縫隙式管而實(shí)現(xiàn)。該縫隙式管可通過純靜態(tài)負(fù)荷O型圈對(duì)殼體進(jìn)行密封，并確保系統(tǒng)內(nèi)部保有約0.8 MPa的壓力。在這2種流體機(jī)械中，這種縫隙式管可避免介質(zhì)與氫混合氣及電子器件的大范圍接觸。同時(shí)，靜態(tài)密封原理不會(huì)受摩擦老化的影響，因此能確保產(chǎn)品在整個(gè)使用壽命期內(nèi)可靠運(yùn)行。

研究人員在選擇接觸介質(zhì)的結(jié)構(gòu)組件材料時(shí)，除了確保其耐腐蝕性之外，也考慮到了離子和材料析出可能性，以避免氫增壓器中MEA的加速退化及冷卻液泵中冷卻液導(dǎo)電性的逐漸提高。在該方面，滾動(dòng)軸承作為唯一存在磨損情況的構(gòu)件而成為研究關(guān)注的焦點(diǎn)，在冷卻液泵中通常會(huì)采用通過合成材料制成的軸承。由于在氫增壓器中存在氣體介質(zhì)，研究人員為其配備了密封滾動(dòng)軸承，以便在選擇材料時(shí)實(shí)現(xiàn)相互協(xié)調(diào)，并防止其產(chǎn)生靜電負(fù)荷和電火花。此外，研究人員通過設(shè)計(jì)優(yōu)化，使這種專門開發(fā)的軸承潤(rùn)滑材料在成分、粘度和化學(xué)穩(wěn)定性等方面有著優(yōu)異性能，從而確保軸承在整個(gè)使用壽命期內(nèi)處于低摩擦運(yùn)行狀態(tài)。

3?燃料電池陰極閥

與內(nèi)燃機(jī)相似，為使燃料電池堆正常運(yùn)作，應(yīng)為其供應(yīng)經(jīng)增壓裝置壓縮后的清潔空氣。為了對(duì)新鮮空氣、旁通空氣和廢氣進(jìn)行流量調(diào)節(jié)，需要配備電動(dòng)閥系統(tǒng)。此外，如果燃料電池堆處于非工作狀態(tài)，由此會(huì)通過具有較高密封性的單向閥與周圍環(huán)境實(shí)現(xiàn)密封隔離。

根據(jù)使用情況，上述閥板和閥門在與水和氫進(jìn)行接觸時(shí)，應(yīng)具有較好的穩(wěn)定性和耐久性。這就需要使閥體與執(zhí)行機(jī)構(gòu)之間實(shí)現(xiàn)良好的密封，特別是單向閥在關(guān)閉時(shí)應(yīng)呈現(xiàn)出較好的密封性，而且必須在整個(gè)使用壽命期內(nèi)得以有效維持。

基于內(nèi)燃機(jī)節(jié)氣門的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，Pierburg公司旗下的研究人員設(shè)計(jì)了一系列可用于燃料電池負(fù)極側(cè)的調(diào)節(jié)閥和單向閥，并已投入小批量生產(chǎn)。內(nèi)燃機(jī)節(jié)氣門的基本方案由可旋轉(zhuǎn)的閥板和集成式的直流電機(jī)執(zhí)行器所組成，目前已保留了這種基本方案，并根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行進(jìn)一步開發(fā)。調(diào)節(jié)閥板的尺寸已根據(jù)其各自的功率等級(jí)和所需的空氣流量進(jìn)行了調(diào)整。其他的技術(shù)特性，如汽車電路電壓（12/24 V）等，則可根據(jù)用戶需求來進(jìn)行配置。為了滿足較高的密封性要求，研究人員采用了密封環(huán)與擺動(dòng)閥板相結(jié)合的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案，在需要時(shí)可通過能實(shí)現(xiàn)多次密封的滾針軸承以確保閥板軸與執(zhí)行器間的密封效果（圖5）。

4?燃料電池的主冷卻液泵

效率高達(dá)65%的PEMFC在電化學(xué)轉(zhuǎn)換過程中仍會(huì)產(chǎn)生一定損失。為了使反應(yīng)過程溫度穩(wěn)定在80～100 ℃，需要采用強(qiáng)制式液體冷卻，以避免燃料電池產(chǎn)生局部熱損傷。同時(shí)，在低溫工作狀態(tài)下，研究人員應(yīng)對(duì)溫度和濕度進(jìn)行預(yù)處理，由此可使導(dǎo)電性較弱的去電離水和乙二醇混合液流經(jīng)燃料電池堆，并實(shí)現(xiàn)冷卻。由于研究人員將一定數(shù)量的電池板進(jìn)行了串聯(lián)處理，因此所需的冷卻液會(huì)產(chǎn)生較大的壓力損失。針對(duì)這種情況而設(shè)計(jì)的冷卻液泵應(yīng)具有合適的特性曲線場(chǎng)，并且能穩(wěn)定地輸出所需的高功率。為選擇合適的材料，必須確保其具有一定的耐腐蝕性，為此研究人員要采取相應(yīng)措施以避免其受到冷卻液導(dǎo)電性的影響，同時(shí)避免堆芯漏電電流的出現(xiàn)。

Pierburg公司旗下的研究人員設(shè)計(jì)出了可用于燃料電池的主冷卻液泵。該款主冷卻液泵的電壓為12 V，功率為0.45 kW。研究人員通過設(shè)置較高的通用件比例，并采用已投入批量生產(chǎn)的零件，從而有效降低了成本，同時(shí)確保了系統(tǒng)可靠性和品質(zhì)。

在為商用車而開發(fā)的系統(tǒng)框架中，由于采用了高電壓驅(qū)動(dòng)方式，主冷卻液泵相應(yīng)具有較高的功率需求。在商用車上，除了已使用的400 V（HV2b）系統(tǒng)之外，800 V（HV3）系統(tǒng)的電壓也成為了研究人員的關(guān)注焦點(diǎn)。專門為商用車而新開發(fā)的冷卻液泵已按照上述2種電壓等級(jí)和相關(guān)要求完成設(shè)計(jì)，其電功率高達(dá)2 kW，因而具有廣闊的應(yīng)用前景（表2）。

5?氫再循環(huán)增壓器

PEMFC在陽極側(cè)供應(yīng)氫燃料。氫燃料通過減壓閥和計(jì)量閥而進(jìn)行輸送，其儲(chǔ)存壓力可根據(jù)負(fù)荷狀況從目前通用的70 MPa逐步降低到0.1～0.3 MPa。為了改善燃料電池中的反應(yīng)過程，供應(yīng)的氫混合氣的化學(xué)計(jì)量比大于1，堆芯出口處的混合氣濃度也可根據(jù)實(shí)際運(yùn)行過程進(jìn)行調(diào)節(jié)。根據(jù)所采取的運(yùn)行策略的不同，這種混合氣在堆芯的單元或二元再循環(huán)過程中實(shí)現(xiàn)重新輸送，并采用了噴射器。由于其運(yùn)行范圍有限，通常與由電機(jī)驅(qū)動(dòng)的主動(dòng)增壓器相組合，從而被稱為氫再循環(huán)增壓器。主動(dòng)再循環(huán)過程擴(kuò)展了燃料電池的運(yùn)行范圍，因而使動(dòng)力總成系統(tǒng)在設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面具有更高的自由度。其他優(yōu)勢(shì)則體現(xiàn)在對(duì)混合氣均質(zhì)化程度的改善，并有助于堆芯除濕和循環(huán)掃氣過程的進(jìn)行，由此具有更高的效率、更長(zhǎng)的使用壽命及更好的動(dòng)力學(xué)性能，同時(shí)也改善了冷起動(dòng)性能。因此，目前大部分車用燃料電池系統(tǒng)都配備了主動(dòng)再循環(huán)功能，其對(duì)于商用車系統(tǒng)有著較高的重要性。Pierburg公司旗下的研究人員通過設(shè)定，使該系統(tǒng)可通過400 V電壓進(jìn)行運(yùn)作，而且可為采用800 V工作電壓的商用車提供氫增壓器，并覆蓋了0.4～1.6 kW的電功率范圍（表3）。

系統(tǒng)所應(yīng)用的單級(jí)側(cè)通道泵送單元是1類低壓旋轉(zhuǎn)式流體機(jī)械，其有著較好的靜音性，并可有效降低節(jié)流損失。此外，氫增壓器還配備有冷卻水套，從而能確保發(fā)動(dòng)機(jī)以全負(fù)荷工況實(shí)現(xiàn)連續(xù)運(yùn)行，并且在冷起動(dòng)時(shí)可為氫增壓器除霜。

為了防止外部泄漏，研究人員通過設(shè)計(jì)，使介質(zhì)所在區(qū)域與電子器件之間實(shí)現(xiàn)了密封隔離，并在生產(chǎn)流水線終端進(jìn)行氦氣泄漏檢驗(yàn)，從而確保其品質(zhì)。為了使全新的燃料電池汽車成功投產(chǎn)，必須遵循歐盟EG 79/2009法規(guī)的規(guī)定和限值要求。為了進(jìn)一步確保系統(tǒng)在整個(gè)使用壽命期內(nèi)能安全可靠地運(yùn)作，研究人員應(yīng)預(yù)先按照DIN EN 60079-1標(biāo)準(zhǔn)對(duì)靜態(tài)O形圈縫隙存在的碗形密封失效情況進(jìn)行研究，并相應(yīng)調(diào)整組件之間的縫隙尺寸，從而避免沿堆芯方向出現(xiàn)著火擊穿現(xiàn)象，同時(shí)降低制造過程的成本。

6?結(jié)論和展望

燃料電池在商用車領(lǐng)域已取得一定的技術(shù)突破。由于可實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的行駛里程，且燃料加注時(shí)間較短，因而燃料電池汽車相比蓄電池電動(dòng)汽車具有更好的經(jīng)濟(jì)性。除此之外，在各類替代能源中，氫能更適于進(jìn)行儲(chǔ)存，從而使其成為車用能源轉(zhuǎn)型過程的關(guān)鍵所在。

基于多年來在燃料電池領(lǐng)域開發(fā)的經(jīng)驗(yàn)，Pierburg公司已開發(fā)出全新產(chǎn)品，從而能滿足未來新一代商用車燃料電池系統(tǒng)在品質(zhì)、安全性和使用壽命等方面的要求。

[1]HEMMER S，WALTERS M，TINZ S.Skalierbare brennstoffzellensysteme für nutzfahrzeuge[J]. MTZ，2019，80（7-8）：72-79.

[2]SCHICK N. Referenz-brennstoffzellensystem für elektrofahrzeuge[J]. MTZ，2019，80（11）：100-104.