面向冬奧示范的新一代燃料電池系統(tǒng)技術(shù)突破

方 川，袁 殿，邵揚(yáng)斌，徐梁飛，李飛強(qiáng)，胡尊嚴(yán)，李建秋，周 寶，戴 威

（1.北京億華通科技股份有限公司，北京 100192；2.清華大學(xué)，汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084；3.上海神力科技有限公司，上海 201401）

前言

燃料電池汽車具有加氫時(shí)間短、續(xù)駛里程長(zhǎng)、零排放等優(yōu)點(diǎn)，是新能源汽車的重要技術(shù)路線，受各國(guó)政府和車企重點(diǎn)關(guān)注。經(jīng)過(guò)多年發(fā)展，燃料電池汽車經(jīng)歷了概念車型、關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和示范運(yùn)營(yíng)等階段，其商業(yè)化推廣是氫能產(chǎn)業(yè)發(fā)展的突破口，對(duì)于優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)、實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)有著重要意義。

2022冬奧會(huì)上有批量燃料電池車輛提供通行服務(wù)，北京和張家口示范應(yīng)用條件對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的性能、環(huán)境適應(yīng)性等提出了更高要求。

目前，全球氫燃料電池汽車主要分布在韓國(guó)、美國(guó)、中國(guó)、日本和歐洲等。這里主要介紹燃料電池客車示范運(yùn)營(yíng)情況。

國(guó)外方面，歐美日陸續(xù)開(kāi)展了多個(gè)小批量燃料電池大巴示范項(xiàng)目，主要驗(yàn)證并改進(jìn)燃料電池在公共服務(wù)領(lǐng)域應(yīng)用的可用性和穩(wěn)定性。例如，歐洲“城市清潔氫能”（CHIC）項(xiàng)目（2010?2016年），運(yùn)營(yíng)54輛燃料電池公交車和4輛氫內(nèi)燃機(jī)公交車，累計(jì)運(yùn)行里程960萬(wàn)km，12 m公交百公里氫耗為7.90~10.40 kg；美國(guó)“燃料電池公共汽車”（AFCB）項(xiàng)目（2012～2018年），運(yùn)營(yíng)14輛12 m燃料電池公交車，累計(jì)運(yùn)行里程110萬(wàn)km，百公里氫耗為9.57~12.88 kg。

國(guó)內(nèi)方面，自2003年起，在聯(lián)合國(guó)開(kāi)發(fā)計(jì)劃署（UNDP）、全球環(huán)境基金（GEF）和國(guó)家科技部（MOST）的支持下，分3期啟動(dòng)了“促進(jìn)中國(guó)燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展”項(xiàng)目。一期項(xiàng)目（2003—2007年），北京示范3輛燃料電池公交車?yán)塾?jì)運(yùn)行里程逾9萬(wàn)km。二期項(xiàng)目（2007—2012年），北京3輛燃料電池客車?yán)塾?jì)運(yùn)行7.5萬(wàn)km，平均百公里氫耗9.56 kg；上海6輛燃料電池客車?yán)塾?jì)運(yùn)行20萬(wàn)km，平均百公里氫耗11.60 kg。三期項(xiàng)目（2016—2021年），北京、上海、張家口、鄭州、鹽城、佛山、常熟等7個(gè)城市3 000多輛燃料電池車輛累計(jì)運(yùn)營(yíng)6 000多萬(wàn)km，包括客車、物流車、郵政車、乘用車等多種車型。

在上述示范中，張家口應(yīng)用環(huán)境最大的特點(diǎn)是低溫，運(yùn)營(yíng)期間最冷月均溫?14~?3℃，單日最低溫度可達(dá)?28℃，遠(yuǎn)低于其它示范區(qū)域，因此，張家口地區(qū)也成為全球燃料電池車輛首個(gè)高寒示范運(yùn)營(yíng)地區(qū)。這對(duì)燃料電池車輛（尤其是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)）的低溫環(huán)境適應(yīng)性提出了高要求，也是為確保燃料電池車輛在2022冬奧會(huì)上順利應(yīng)用必須攻克的難題。

1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

為適應(yīng)整車研制需求（如性能、輕量化等）及環(huán)境適應(yīng)性（如低溫、低濕、高海拔等），燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在高密度集成、耐久性管理和冷啟動(dòng)技術(shù)等方面進(jìn)行了改進(jìn)。

1.1 高功率密度燃料電池系統(tǒng)集成

（1） 電堆

由于人工石墨脆性強(qiáng)、氣密性弱，導(dǎo)致石墨雙極板厚度較大，電堆功率密度低于金屬雙極板電堆，因此薄雙極板技術(shù)是提升石墨雙極板電堆體積密度的關(guān)鍵，主要包括雙極板流道設(shè)計(jì)和制作工藝。通過(guò)兩面流道錯(cuò)位設(shè)計(jì)的方法（見(jiàn)圖1），利用膨脹石墨連續(xù)的石墨相，制備導(dǎo)電性能、撓曲性能優(yōu)異的膨脹石墨雙極板，該設(shè)計(jì)可提高冷卻量，有利于極板減薄、溫度均勻分布。雙極板制作采用膨脹石墨浸漬工藝技術(shù)，包括碾壓、真空浸漬和粘接等步驟，重點(diǎn)解決兩個(gè)缺陷：由于柔性石墨蠕蟲(chóng)力學(xué)各向異性，致使脊成型面填充缺陷，影響氣體流動(dòng)分配和內(nèi)阻，需要做好材料選型、壓縮過(guò)程控制、模具優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)脊面平滑完整（見(jiàn)圖2）；通過(guò)樹(shù)脂改性和浸漬工藝改進(jìn)，提升局部孔隙的封孔程度，改善極板防凍液保壓耐受能力。通過(guò)上述改進(jìn)，使燃料電池單體厚度從4減小到1.6 mm水平，燃料電池電堆體積功率密度可達(dá)到4.25 kW/L。上述設(shè)計(jì)已形成自主模壓雙極板裝備工藝體系，降低制造成本，提升生產(chǎn)效率，可實(shí)現(xiàn)批量供應(yīng)。

圖1 極板切面結(jié)構(gòu)示意

圖2 石墨模壓板流道平面圖

（2） 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的集成并非簡(jiǎn)單物理集成，而是采用正向開(kāi)發(fā)的模式。根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)目標(biāo)，對(duì)各零部件提出需求，各零部件供應(yīng)商根據(jù)系統(tǒng)對(duì)零部件的性能、尺寸邊界、安裝位置、電氣接口、控制算法等多方面的需求，進(jìn)行同步開(kāi)發(fā)。通過(guò)高度集成設(shè)計(jì)，能夠降低在管路、線束、機(jī)械傳動(dòng)等各個(gè)環(huán)節(jié)能量的損失，從而降低輔助系統(tǒng)能耗，同時(shí)減少了結(jié)構(gòu)冗余，減輕了質(zhì)量。以端板的高集成一體化設(shè)計(jì)為例，借鑒傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)集成與開(kāi)發(fā)體系，將節(jié)氣門、氫噴、節(jié)溫器等9個(gè)部件集成在端板上，采用一體化鑄造替代獨(dú)立機(jī)加工結(jié)構(gòu)，將52個(gè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)件整合為24個(gè)，結(jié)合金屬?塑料復(fù)合結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)，將附件總質(zhì)量減輕了70%以上，附件總成本降低80%以上。

基于上述改進(jìn)，以2018年示范初期水平為參照，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)額定功率、功率密度等參數(shù)得到較大幅度的提升（見(jiàn)表1）。圖3是60 kW（2018年）和120 kW（2021年）兩款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)集成圖，可以看到，后者在集成度、空間布局上均有較大程度的改善，更有利于整車布置。

表1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)對(duì)比（體積密度均按排水體積計(jì)算）

圖3 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

1.2 燃料電池系統(tǒng)耐久性管理

燃料電池性能衰退與可靠性變差，本質(zhì)上是環(huán)境和工況變化（啟停、變載、高/低持續(xù)負(fù)載、溫度/濕度/壓力等）導(dǎo)致堆內(nèi)狀態(tài)失衡（局部水淹、膜干、缺氣、過(guò)熱等），進(jìn)一步造成材料性能損傷（膜、催化劑、氣體擴(kuò)散層等）的動(dòng)態(tài)演變過(guò)程。燃料電池系統(tǒng)耐久性管理主要在空氣子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制、氫氣子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制和電堆水含量狀態(tài)觀測(cè)與閉環(huán)控制3個(gè)方面進(jìn)行了改進(jìn)。

（1） 空氣子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

循環(huán)變載工況引起空氣系統(tǒng)供氣失衡，造成堆內(nèi)局部缺氣從而導(dǎo)致膜電極和雙極板等關(guān)鍵材料腐蝕，是導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)耐久性不佳的關(guān)鍵因素?；诜謱玉詈系乃悸?，從兩個(gè)層面實(shí)現(xiàn)空氣循環(huán)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)協(xié)調(diào)策略。

首先是整車層面，采用基于功率預(yù)測(cè)的能量管理方法，預(yù)測(cè)在未來(lái)30~60 s時(shí)間尺度內(nèi)的平均需求功率，預(yù)測(cè)功率作為前饋輸入給空氣系統(tǒng)管理模塊，通過(guò)該方法，整車需求功率和燃料電池空氣供給實(shí)現(xiàn)了適度解耦，同時(shí)又滿足了整車動(dòng)態(tài)響應(yīng)需求。

其次是燃料電池系統(tǒng)層面，采用空壓機(jī)和背壓閥分區(qū)解耦的協(xié)調(diào)控制。由于空壓機(jī)在工作區(qū)域的壓比和流量可以分為強(qiáng)耦合區(qū)和弱耦合區(qū)，如圖4所示，藍(lán)色虛線上方是弱耦合區(qū)，流量對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的變化敏感、對(duì)背壓節(jié)氣門開(kāi)度的變化不敏感，壓比對(duì)背壓節(jié)氣門開(kāi)度的變化敏感、對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速的變化不敏感；藍(lán)色虛線與紅色實(shí)線（喘振線）中間區(qū)域是強(qiáng)耦合區(qū)，流量和壓比均對(duì)空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、背壓節(jié)氣門開(kāi)度的變化敏感。針對(duì)弱耦合區(qū)，流量、壓力分別用空壓機(jī)轉(zhuǎn)速、背壓節(jié)氣門開(kāi)度進(jìn)行閉環(huán)控制；針對(duì)強(qiáng)耦合區(qū)，采用自抗擾控制算法實(shí)現(xiàn)燃料電池空氣系統(tǒng)流量和壓力的解耦閉環(huán)控制。圖5是空氣子系統(tǒng)流量、壓力閉環(huán)控制仿真結(jié)果，紅色是目標(biāo)流量，藍(lán)色是常規(guī)PID反饋控制的流量，綠色是解耦控制的流量。從圖5（a）可以看到，解耦控制的流量控制誤差為?2.59～3.20 g/s，從目標(biāo)流量的階躍幅值的10%上升到90%所需的時(shí)間為0.39 s；PID反饋控制的流量控制誤差為?2.91～3.00 g/s，從階躍幅值的10%上升到90%所需的時(shí)間為0.99 s。從圖5（b）可以看到，解耦控制的壓力控制誤差為?4.81～2.68 kPa，從目標(biāo)壓力階躍差值的10%上升到90%所需的時(shí)間為0.40 s；PID反饋控制的壓力控制誤差為?1.27～4.82 kPa，從階躍差值的10%上升到90%所需的時(shí)間為0.69 s。因此，解耦控制與PID反饋控制相比，控制誤差接近，但具有更高的響應(yīng)速度，且動(dòng)態(tài)壓力閉環(huán)控制的正向超調(diào)量更小。

圖4 空壓機(jī)工作區(qū)域耦合分區(qū)示意

圖5 空氣子系統(tǒng)閉環(huán)控制仿真結(jié)果

另外，通過(guò)負(fù)載與氧氣濃度調(diào)控，增加陰極過(guò)電勢(shì)，可避免在循環(huán)變載工況中產(chǎn)生高電位或高電位循環(huán)，抑制膜電極化學(xué)衰退。

（2）氫氣子系統(tǒng)協(xié)調(diào)控制

為了提高陽(yáng)極氫氣利用率和陽(yáng)極排水，需要定期開(kāi)啟尾排電磁閥，以排除陽(yáng)極積累的氮?dú)馀c液態(tài)水。但尾排吹掃易導(dǎo)致陽(yáng)極壓力驟降，使得膜電極陰陽(yáng)兩側(cè)壓差變大，對(duì)膜電極產(chǎn)生機(jī)械疲勞，這也是初期燃料電池系統(tǒng)壽命不超過(guò)3 000 h的主要原因之一。

針對(duì)氫氣循環(huán)泵?入堆氫氣噴射器?出堆尾排閥組成的氫氣循環(huán)系統(tǒng)，通過(guò)精確匹配氫氣尾排閥開(kāi)啟和氫氣噴射器的噴氣時(shí)刻，可有效地抑制膜電極兩側(cè)壓力波動(dòng)，實(shí)現(xiàn)陽(yáng)極排水、減少氫氣損耗，有效解決尾排閥開(kāi)啟導(dǎo)致的膜電極機(jī)械循環(huán)應(yīng)力衰退問(wèn)題。主要在如下兩個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)。

首先是采用氫氣電控噴射裝置，能夠在不同工況下靈活調(diào)節(jié)氫氣側(cè)的壓力，保證陰陽(yáng)極壓差，同時(shí)能夠在吹掃過(guò)程中及時(shí)補(bǔ)償吹掃消耗的氣體流量，避免出現(xiàn)壓力突降使質(zhì)子交換膜處于交變應(yīng)力的作用下，確保質(zhì)子交換膜的使用壽命。圖6是陽(yáng)極壓力響應(yīng)曲線，黑線是目標(biāo)壓力值，紅線是機(jī)械減壓閥響應(yīng)值，藍(lán)線是氫氣噴射器響應(yīng)值，將全工況負(fù)載下氫氣壓力最大波動(dòng)從30降低到3 kPa，最大誤差由23%降至2.3%。

圖6 陽(yáng)極壓力響應(yīng)曲線

其次是在氫氣噴射控制算法中引入自學(xué)習(xí)閉環(huán)控制方法，進(jìn)一步優(yōu)化過(guò)程控制。常規(guī)的控制方法采用預(yù)先標(biāo)定的前饋控制加上PID反饋控制的方法，前饋量通過(guò)事先標(biāo)定得到（見(jiàn)圖7（a））。但隨著燃料電池的運(yùn)行，由于燃料電池內(nèi)部水含量的變化，導(dǎo)致陽(yáng)極流道內(nèi)流阻相比標(biāo)定時(shí)已經(jīng)發(fā)生了變化，此時(shí)預(yù)先標(biāo)定的前饋參數(shù)無(wú)法適用于當(dāng)前狀態(tài)下的氫氣噴射控制，導(dǎo)致控制效果變差。圖7（b）是自學(xué)習(xí)閉環(huán)控制方法，利用目標(biāo)壓力、壓力偏差量、消耗流量、吹掃閥開(kāi)關(guān)信號(hào)、氫氣噴射占空比，通過(guò)自學(xué)習(xí)算法得到自學(xué)習(xí)的函數(shù)關(guān)系，根據(jù)該函數(shù)關(guān)系計(jì)算前饋控制量，最終與反饋控制量相加得 到氫氣噴射占空比，實(shí)現(xiàn)氫氣壓力的有效控制。

圖7 氫氣壓力控制算法

圖8是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中壓力誤差隨電流和吹掃閥動(dòng)作的變化情況。

圖8 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)行過(guò)程中壓力誤差隨電流和吹掃閥動(dòng)作的變化情況

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)從開(kāi)機(jī)逐步加載到額定點(diǎn)后降載關(guān)機(jī)，整個(gè)過(guò)程持續(xù)約1 000 s，壓力誤差在4.9和3.2 kPa之間，在258 s處，由于電堆剛經(jīng)歷大幅度加載，陽(yáng)極流道內(nèi)發(fā)生水的大量聚集，低電流密度下自學(xué)習(xí)的吹掃前饋參數(shù)已經(jīng)不適宜此時(shí)的吹掃流量，導(dǎo)致吹掃時(shí)壓力出現(xiàn)較大超調(diào)。但經(jīng)過(guò)3個(gè)吹掃周期后，經(jīng)過(guò)自學(xué)習(xí)算法，吹掃前饋參數(shù)進(jìn)行了自適應(yīng)調(diào)節(jié)，吹掃超調(diào)已經(jīng)從3.2下降到2.4 kPa，在第4個(gè)吹掃周期（約320 s處）達(dá)到2.0 kPa并趨于穩(wěn)定。實(shí)測(cè)結(jié)果證明，自學(xué)習(xí)控制算法能夠使前饋參數(shù)針對(duì)電堆內(nèi)部狀態(tài)變化進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)節(jié)，確保陽(yáng)極壓力控制的控制精度、動(dòng)態(tài)響應(yīng)和魯棒性。

（3） 水含量狀態(tài)觀測(cè)與閉環(huán)控制

電堆內(nèi)部的水含量，對(duì)燃料電池的運(yùn)行狀態(tài)非常重要。目前針對(duì)電堆內(nèi)部水含量沒(méi)有直接的測(cè)量方法，采用交流阻抗只能測(cè)量膜內(nèi)的水含量，而且在電堆適宜的工作區(qū)間內(nèi)，交流阻抗的變化對(duì)水含量的變化不敏感。這里設(shè)計(jì)了電堆水含量狀態(tài)觀測(cè)與閉環(huán)控制的技術(shù)路線（見(jiàn)圖9），從陽(yáng)極氫氣瞬時(shí)流量估計(jì)出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陽(yáng)極尾排水濃度的估計(jì)；從陰極電堆進(jìn)出口壓差出發(fā)，實(shí)現(xiàn)對(duì)陰極尾排水濃度的估計(jì)；結(jié)合陽(yáng)極和陰極的尾排水濃度，根據(jù)陽(yáng)極的尾排水濃度控制陽(yáng)極吹掃的時(shí)間，根據(jù)陰極排放水濃度控制入堆水溫使得陰極排放水濃度在合理區(qū)間內(nèi)；通過(guò)上述兩種手段實(shí)現(xiàn)了對(duì)電堆內(nèi)部水含量的閉環(huán)控制，保證電堆的水含量始終處于合適的范圍。

圖9 電堆水含量狀態(tài)觀測(cè)與閉環(huán)控制技術(shù)路線

圖10是電堆水含量閉環(huán)調(diào)節(jié)前后的性能衰減率對(duì)比，其中，階段1（0～200 h）為無(wú)水含量閉環(huán)控制，平均單片和最低單片均在逐漸下降，此時(shí)電堆處于逐漸失水的狀態(tài)，總運(yùn)行時(shí)間182 h，擬合衰減率為42.5 μV/h；在階段2（250～500 h）加入了水含量閉環(huán)調(diào)節(jié)，可以看到平均單片和最低單片比較穩(wěn)定，總運(yùn)行時(shí)間178 h，平均單片電壓擬合斜率為正值，系統(tǒng)無(wú)可見(jiàn)衰減。測(cè)試結(jié)果證明水含量閉環(huán)調(diào)節(jié)能夠維持燃料電池的內(nèi)部含水狀態(tài)，避免電堆進(jìn)入持續(xù)膜干或持續(xù)水淹的狀態(tài)，對(duì)提升耐久性起到較為顯著的積極作用。

圖10 電堆水含量閉環(huán)調(diào)節(jié)前（階段1）與后（階段2）的性能衰減率對(duì)比

1.3 燃料電池系統(tǒng)冷啟動(dòng)措施

冷啟動(dòng)能力是對(duì)冬奧示范場(chǎng)景下燃料電池系統(tǒng)的重要考量指標(biāo)。由于石墨雙極板燃料電池極板厚、熱容大，在極寒環(huán)境下啟動(dòng)極易發(fā)生結(jié)冰失效，其低溫冷啟動(dòng)是國(guó)際公認(rèn)的技術(shù)難題。示范初期，燃料電池系統(tǒng)的冷啟動(dòng)能力一般在?10℃左右。燃料電池系統(tǒng)冷啟動(dòng)性能提升需要從電堆組件、零部件和系統(tǒng)控制3個(gè)層級(jí)入手。

（1）電堆組件遴選

電堆組件遴選主要指膜電極和雙極板方面。膜電極可通過(guò)絕熱冷啟動(dòng)方法進(jìn)行測(cè)試，以放電時(shí)間作為考核指標(biāo)，同樣的條件下，放電時(shí)間越長(zhǎng)，低溫啟動(dòng)能力越強(qiáng)，最后結(jié)合電堆實(shí)際的運(yùn)行性能篩選出既能滿足電堆輸出功率又具有較好低溫啟動(dòng)能力的膜電極。

雙極板可通過(guò)高低溫循環(huán)進(jìn)行測(cè)試，以極板氣密性作為評(píng)價(jià)指標(biāo)，考察不同冷凍/解凍循環(huán)后雙極板性質(zhì)變化，最終選取氣密性變化較小的材料作為雙極板基礎(chǔ)材料。當(dāng)然，雙極板流道的合理設(shè)計(jì)有助于及時(shí)排出反應(yīng)生成的水，避免結(jié)冰，也有利于冷啟動(dòng)。

（2）停機(jī)吹掃

停機(jī)過(guò)程需防止殘留水結(jié)冰，采用基于交流阻抗和充排水傳質(zhì)模型的3階段殘留水控制技術(shù)（見(jiàn)圖11），包括：流道中液態(tài)水吹掃、氣體擴(kuò)散層（GDL）中殘余水分吹掃、質(zhì)子交換膜中殘余水分吹掃。其中，含水量在線估計(jì)是吹掃策略優(yōu)化的關(guān)鍵，這里采用在線交流阻抗測(cè)量膜內(nèi)含水量的方法，通過(guò)在燃料電池直流輸出上增加一個(gè)反向交流擾動(dòng)測(cè)量其膜內(nèi)阻，綜合判斷氣體擴(kuò)散層排水和膜內(nèi)失水狀態(tài)，進(jìn)而控制殘余水含量。吹掃結(jié)束，陰陽(yáng)極出口關(guān)閉，保證?40℃低溫儲(chǔ)存。停機(jī)吹掃將確保各單片處于電堆最優(yōu)冷啟動(dòng)水含量區(qū)間，為下一次低溫冷啟動(dòng)奠定基礎(chǔ)。

圖11 電堆3階段吹掃排水過(guò)程

（3）冷啟動(dòng)控制

針對(duì)冷啟動(dòng)過(guò)程，需加大啟動(dòng)電流以加快產(chǎn)熱防止過(guò)冷水結(jié)冰，但較大的啟動(dòng)電流易導(dǎo)致單體反極而損傷電池。采用陰極EGR閥（廢氣再循環(huán)閥）快速冷啟動(dòng)技術(shù)，利用陰極EGR閥門回流，解耦氧氣濃度和流量關(guān)系，在大回流流量下增強(qiáng)排水的同時(shí)，得到低濃度氧氣，使得燃料電池堆熱效率高于常態(tài)，加快低溫啟動(dòng)過(guò)程；配合膜電極抗反極功能，有效縮短低溫啟動(dòng)時(shí)間，減弱低溫啟動(dòng)導(dǎo)致的衰減問(wèn)題。

（4）零部件選型

零部件方面，與低溫啟動(dòng)關(guān)聯(lián)度較大的包括電堆、加熱器、增濕器、氫氣循環(huán)泵和氫氣噴射器等。這些零部件除了滿足工作溫度?30℃的要求外，還需要滿足一些特殊指標(biāo)，例如，加熱器的功率、電堆的冷啟動(dòng)時(shí)間、氫氣循環(huán)泵的轉(zhuǎn)矩與工作介質(zhì)、氫氣噴射器的轉(zhuǎn)矩、節(jié)氣門的轉(zhuǎn)矩與工作介質(zhì)、加濕器的結(jié)冰/解凍循環(huán)次數(shù)和吹掃時(shí)間等。

上述策略已在量產(chǎn)石墨雙極板燃料電池系統(tǒng)上應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了?30℃低溫冷啟動(dòng)、?40℃低溫儲(chǔ)存。圖12是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（2018年產(chǎn)品）?30℃冷啟動(dòng)曲線，耗時(shí)454 s。

圖12 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)?30℃冷啟動(dòng)曲線

2 整車綜合熱管理

為優(yōu)化整車在低溫環(huán)境的應(yīng)用，開(kāi)發(fā)了基于多熱域耦合協(xié)調(diào)控制的燃料電池系統(tǒng)余熱利用控制策略，由于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用高溫高濕高壓的技術(shù)路線，電堆出口水溫最高超過(guò)85℃，較高的水溫使得余熱利用系統(tǒng)更容易回收冷卻液中的熱量，用于冬季車廂內(nèi)的暖風(fēng)、除霜等；同時(shí)，較高的水溫也降低了對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)散熱器散熱面積的要求，有利于整車布置。

圖13是整車熱管理構(gòu)型，在燃料電池水循環(huán)路中并聯(lián)換熱器，將熱能換到整車循環(huán)路，供整車取暖用。圖14是實(shí)車余熱利用效果，燃料電池在供電的同時(shí)還輸出一定量的熱能，起到了較好的能量綜合利用效果。經(jīng)統(tǒng)計(jì)，采用余熱利用后，12 m公交車冬季的百公里氫耗由8.6降至7.6 kg，降低了11.6%。

圖13 整車熱管理構(gòu)型

圖14 實(shí)車余熱利用效果

2020年，兩款燃料電池客車在位于牙克石高寒的中汽中心呼倫貝爾冬季汽車試驗(yàn)場(chǎng)，成功完成“冬奧環(huán)境”極寒測(cè)試，成為首次通過(guò)極寒實(shí)地測(cè)試的氫燃料電池客車。圖15是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試的燃料電池大客車。

圖15 極寒測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)

2021年2 月，“相約北京”冬季體育系列測(cè)試賽啟動(dòng)，作為2022年北京冬奧會(huì)的一次重要測(cè)試，共投入氫燃料電池客車80輛，分9.5和12 m兩款車型。總運(yùn)營(yíng)15條線路，包括：兩個(gè)核心賽區(qū)（云頂場(chǎng)館群、古楊樹(shù)場(chǎng)館群）、兩條長(zhǎng)距離運(yùn)載志愿者班車（張家口市建工學(xué)院?云頂安保線外、張家口市北方學(xué)院古楊樹(shù)安保線外）、兩條運(yùn)動(dòng)員及教練專車。測(cè)試賽期間，張家口最低氣溫接近?28℃，測(cè)試結(jié)果表明，投入賽事服務(wù)的燃料電池客車全部運(yùn)行良好，充分驗(yàn)證了燃料電池汽車服務(wù)北京冬奧會(huì)的可行性。圖16是現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試車輛。

圖16 參與冬奧會(huì)測(cè)試賽的車輛

3 示范運(yùn)營(yíng)

除上述實(shí)車測(cè)試外，張家口還開(kāi)展了國(guó)際首個(gè)高寒地區(qū)長(zhǎng)周期示范運(yùn)營(yíng)，充分驗(yàn)證了燃料電池車輛性能。

目前，張家口示范運(yùn)營(yíng)車輛主要為公交車，包括9.5、10.5、12 m等車型。示范路線為城區(qū)或機(jī)場(chǎng)方向，往返里程20~60 km不等。自2018年7月至2021年4月，共計(jì)304輛燃料電池公交車陸續(xù)分批次投入運(yùn)營(yíng)，累計(jì)運(yùn)行里程超1 600萬(wàn)km，歷經(jīng)3個(gè)冬季低溫考驗(yàn)（極端氣溫?20℃以下）。根據(jù)記錄，2020年冬季，實(shí)車?yán)鋯?dòng)（冷卻液溫度在?10℃以下）次數(shù)達(dá)800次以上。表2是燃料電池公交車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表。

表2 燃料電池公交車運(yùn)營(yíng)數(shù)據(jù)

這里以10輛10.5 m燃料電池公交車為樣本（2018年7月第1批次投入），分析示范運(yùn)營(yíng)期間的經(jīng)濟(jì)性、可靠性和耐久性。

（1）經(jīng)濟(jì)性

圖17是10個(gè)取樣車輛累計(jì)運(yùn)行里程和加氫統(tǒng)計(jì)情況，累計(jì)運(yùn)行144.26萬(wàn)km，加氫90 700.00 kg，平均百公里氫耗約6.29 kg。假設(shè)加氫站終端加注價(jià)格按35元/kg計(jì)，則示范運(yùn)營(yíng)期間的百公里能源成本為220.15元。

圖17 車輛樣本數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

（2）可靠性

可靠性方面，累計(jì)故障次數(shù)192次，平均無(wú)故障里程為7 513 km，該數(shù)值優(yōu)于一期、二期項(xiàng)目（分別為1 375 km、3 430 km）。

故障包括電堆、氫系統(tǒng)、空氣路、散熱系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和絕緣等。其中，電堆故障主要通過(guò)活化等方式處理；氫系統(tǒng)故障主要采用更換減壓閥等方式處理；空氣路故障主要采用更換空濾、空壓機(jī)等方式處理；散熱系統(tǒng)故障主要采用更換電子節(jié)溫器、添加防凍液等方式解決；電氣系統(tǒng)故障主要采用更換傳感器、DC/DC、接觸器、配電盒、保險(xiǎn)等方式解決；控制系統(tǒng)故障主要采用更換控制器、更新程序等方式處理；絕緣故障主要采用更換去離子罐等方式解決。

可靠性的提升主要是在設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)營(yíng)等方面實(shí)現(xiàn)管控和改進(jìn)，見(jiàn)表3。后續(xù)經(jīng)過(guò)多輪迭代，燃料電池系統(tǒng)平均無(wú)故障里程逐步提升至25 000 km以上。

表3 可靠性提升措施

（3）耐久性

耐久性方面，基于數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)展開(kāi)壽命估算，即根據(jù)示范運(yùn)營(yíng)常用工況電流點(diǎn)下的電壓線性衰減率進(jìn)行外推預(yù)測(cè)。圖18是某車輛燃料電池平均單片電壓隨運(yùn)行時(shí)間變化圖（常用工況電流點(diǎn)取48 A），可以看到，隨著運(yùn)行時(shí)間增加，平均單片電壓呈近似線性衰減趨勢(shì)。根據(jù)電壓?時(shí)間線性擬合斜率預(yù)測(cè)壽命。按上述方法預(yù)測(cè)的樣本平均壽命約為8 700 h。受產(chǎn)品一致性、實(shí)際工況、運(yùn)行環(huán)境、駕駛習(xí)慣、運(yùn)營(yíng)強(qiáng)度、開(kāi)關(guān)機(jī)次數(shù)等差異影響，不同燃料電池系統(tǒng)的壽命存在一定的差異。需要說(shuō)明的是，本次示范用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)屬于示范早期國(guó)產(chǎn)產(chǎn)品，近3年的產(chǎn)品在材料、工藝、控制策略等方面迭代升級(jí)，其性能及壽命均得到進(jìn)一步提升。以2019年開(kāi)發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)（60 kW）為例，張家口實(shí)車運(yùn)行后的樣本數(shù)據(jù)表明，該系列燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的平均壽命在16 000 h左右。

圖18 燃料電池平均單片電壓衰減情況

4 小結(jié)

燃料電池系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多輪技術(shù)迭代，產(chǎn)品性能得到較大幅度的提升，并通過(guò)實(shí)車示范運(yùn)行，驗(yàn)證了其環(huán)境適應(yīng)性、耐久性和可靠性，為2022冬奧“氫能出行”服務(wù)和燃料電池示范城市群建設(shè)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。進(jìn)一步地，為實(shí)現(xiàn)商用車從傳統(tǒng)燃油動(dòng)力向氫燃料動(dòng)力的轉(zhuǎn)型提供技術(shù)支撐，將有利于緩解環(huán)境污染問(wèn)題、優(yōu)化能源消費(fèi)結(jié)構(gòu)，助力實(shí)現(xiàn)雙碳目標(biāo)。