探究氫燃料電池商用汽車(chē)布置設(shè)計(jì)

江鈴重型汽車(chē)有限公司 山西 太原 030032

氫燃料電池作為商用汽車(chē)的動(dòng)力來(lái)源，其中包括動(dòng)力電池總成、氫氣罐總成、動(dòng)力輸出系統(tǒng)總成以及燃料電池堆總成等。氫氣罐通常是在汽車(chē)底盤(pán)中部位置，用于儲(chǔ)存氫氣，其他前后懸架和制動(dòng)總成等結(jié)構(gòu)，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期改進(jìn)和發(fā)展也有了新的變化。尤其是輪轂電機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，促使汽車(chē)內(nèi)部空間面積大大增加，可以提供給人員更大的舒適性[1]。尤其是車(chē)輛底盤(pán)前后端均勻分布負(fù)載，車(chē)輛總體中心大大降低，不僅提升了車(chē)輛操控性能，也在很大程度上增強(qiáng)了車(chē)輛的行駛安全性，對(duì)于保障人員生命而言有著積極作用。

1 氫燃料電池商用汽車(chē)的優(yōu)勢(shì)分析

氫燃料電池在運(yùn)行中，分別將氫氣和氧氣供給給陽(yáng)極、陰極，在電極擴(kuò)散層下進(jìn)入到催化層、質(zhì)子交換膜位置，在催化劑作用下形成質(zhì)子與電子，電化學(xué)反應(yīng)生成熱量與水，冷卻系統(tǒng)將熱量帶走，具體反應(yīng)式包括:

就氫燃料電池在商用汽車(chē)布置設(shè)計(jì)中應(yīng)用優(yōu)勢(shì)來(lái)看，有以下幾點(diǎn):

(1)高效率。氫燃料電池商用汽車(chē)具有高效氯特點(diǎn)，可以將化學(xué)能高效轉(zhuǎn)化為電能，不需要機(jī)械能與熱能變換，發(fā)電效率最高達(dá)到50%以上，轉(zhuǎn)化能力超過(guò)傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)。

(2)零排放。氫燃料電池為動(dòng)力的汽車(chē)，綜合考量了工作環(huán)境舒適性、操作便捷性，由于選擇氫氣和氧氣為燃料電池主要構(gòu)成成分，生成清潔的水分，不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳與二氧化碳，并且沒(méi)有硫物質(zhì)排出，所以可以實(shí)現(xiàn)零污染、零排放的目標(biāo)[2]。

(3)加氫時(shí)間短。氫燃料電池汽車(chē)以氫氣為主要能源，通過(guò)儲(chǔ)氫罐存儲(chǔ)氫氣，燃料使用后直接灌入氫氣即可，每次加氫時(shí)間大概在5min～10min左右，滿足車(chē)輛持續(xù)運(yùn)行300公里到500公里，極大的提升了車(chē)輛運(yùn)行效率。

2 電堆總成布置設(shè)計(jì)

2.1 布置位置 電堆總成通常是在氫燃料電池商用汽車(chē)的車(chē)底布置，也可以在發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置。在前者位置布置，是由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間狹窄，如果布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙會(huì)占用大量的面積，其他零部件需要在車(chē)底布置，包括電機(jī)控制器MCU、空壓機(jī)控制器和升壓DC/DC等。因此，多數(shù)情況下在車(chē)底布設(shè)電堆總成。后者則是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置，此中不知方式同電堆各附件的距離較近，管路不需要長(zhǎng)距離布設(shè)，整體結(jié)構(gòu)布置較為緊湊。但此種方式由于發(fā)動(dòng)機(jī)艙空間狹窄，零部件諸多，如何實(shí)現(xiàn)各系統(tǒng)合理布設(shè)，通常會(huì)將DC/DC或蓄電池移除發(fā)動(dòng)機(jī)艙。

2.2 電堆姿態(tài)布置 電堆電化學(xué)反應(yīng)時(shí)會(huì)有水在陰極產(chǎn)生，以水氣為主，少數(shù)會(huì)凝結(jié)尾液態(tài)水，如果這部分液態(tài)水無(wú)法及時(shí)有效排出，可能會(huì)滲透到陽(yáng)極位置，或是堵塞空氣通道。所以，空氣通道由上向下順利流通，在重力作用下加快排水，最大程度上規(guī)避液態(tài)水堆積。陽(yáng)極位置，由于氫氣降壓散熱導(dǎo)致溫度下降，電堆入口處由于高低溫混合致使水汽凝結(jié)，不利于氫氣氧化反應(yīng)。所以，氫氣與空氣進(jìn)口均是在上方布置，下方則是出口，為了規(guī)避車(chē)輛在上下坡行駛或是加減速影響，所以最佳的進(jìn)出口是朝向車(chē)輛兩側(cè)，不適合在車(chē)輛前后位置。

2.3 電堆總成布置 在發(fā)動(dòng)機(jī)艙和徹底布置電堆總成，由于技術(shù)不斷推陳出新，電堆總成尺寸規(guī)格明顯變小，未來(lái)主要發(fā)展趨勢(shì)則是發(fā)動(dòng)機(jī)艙位置，朝向最佳是車(chē)輛的兩側(cè)。

3 電堆附件系統(tǒng)總體布置設(shè)計(jì)

3.1 空氣供應(yīng)系統(tǒng) 空氣供應(yīng)系統(tǒng)是氫燃料電池商用汽車(chē)布置設(shè)計(jì)的重要組成部分，進(jìn)入燃料電池的空氣過(guò)濾、增壓和冷卻處理，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)壓力。

3.2 空氣系統(tǒng)布置具體內(nèi)容

(1)優(yōu)先布置?？諝夤?yīng)系統(tǒng)包括加濕器總成、空濾器總成和空氣壓縮機(jī)等部分，管路占據(jù)空間較大，直徑大，應(yīng)優(yōu)先布置管路，確保管路盡可能緊湊布置，減少占用空間。如，本田的CLARITY電堆是在發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置，便于空氣洗同的優(yōu)化布置設(shè)計(jì)。

(2)減震設(shè)計(jì)。減震設(shè)計(jì)是用于減少汽車(chē)行駛過(guò)程中的震動(dòng)作用，如空氣壓縮機(jī)和空濾器總成之間的管路布設(shè)，前者是在動(dòng)力總成布置，后者則是在車(chē)身上布置，二者連接管路以S型為主，但是空氣壓縮機(jī)運(yùn)行中會(huì)產(chǎn)生一定的振動(dòng)效應(yīng)，所以不適合設(shè)計(jì)為直管。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)，需要結(jié)合氫燃料電池商用汽車(chē)特點(diǎn)綜合考量，由于空氣供應(yīng)系統(tǒng)占據(jù)較大的體積，通常優(yōu)先布置，適當(dāng)?shù)目s短管路距離，不僅可以起到降低成本的作用，還可以提升整體美觀性；設(shè)計(jì)S型連接管路，可以起到緩沖作用，避免對(duì)管路帶來(lái)?yè)p傷。

3.3 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)

(1)氫氣供應(yīng)系統(tǒng)。其中包括供氫系統(tǒng)和車(chē)載氫系統(tǒng)兩個(gè)部分，其中車(chē)載氫系統(tǒng)包括儲(chǔ)氫、加氫和減壓的作用，檢測(cè)反饋溫度和壓力等指標(biāo)，用于啟閉控制；供氫系統(tǒng)具有循環(huán)應(yīng)用、排水氣和調(diào)壓等功能，保證氫燃料電池供應(yīng)系統(tǒng)運(yùn)行。

(2)氫氣系統(tǒng)布置要求。車(chē)載氫系統(tǒng)中的組件較多，有過(guò)濾器、減壓閥和氫瓶等部分，用于氫氣燃料存儲(chǔ)、輸送和利用，由于自身特性，應(yīng)避免此裝置受到損壞影響到氫燃料電池供應(yīng)系統(tǒng)正常運(yùn)行。泄放管路是在車(chē)輛尾部布置，規(guī)避徹底氫氣大量積聚，同時(shí)還要保證車(chē)載氫系統(tǒng)的管路設(shè)置位置不會(huì)損傷蓄電池、電器，遠(yuǎn)離熱源出現(xiàn)電弧，間距大概在200mm左右；氫瓶的布置位置商用車(chē)一般在底盤(pán)車(chē)架兩側(cè)。

(3)供氫系統(tǒng)布置。供氫系統(tǒng)用于滿足氫燃料電池商用汽車(chē)燃料需求，如何規(guī)避電堆水淹情況的出現(xiàn)，在電堆下位置布設(shè)水氣分離器和氫氣循環(huán)泵裝置，便于將多余的水氣抽出。規(guī)避受到冷或熱水氣作用產(chǎn)生冷凝水汽，氫氣循環(huán)泵輸出原理電堆氫氣輸入口，適當(dāng)增加排水氣模塊實(shí)現(xiàn)氫氣預(yù)熱處理，便于多余水氣充分排出。

結(jié)論

綜上所述，氫燃料電池商用汽車(chē)相較于傳統(tǒng)汽車(chē)，不僅可以起到減少化石能源耗量的情況，還可以增加汽車(chē)內(nèi)部空間，提升汽車(chē)的行駛性能與操控性能，所以通過(guò)合理的布置設(shè)計(jì)，有助于推動(dòng)汽車(chē)產(chǎn)業(yè)更高層次發(fā)展。