氫燃料電池技術應用與分析

隨著技術不斷進步，成本進一步降低，基礎設施逐漸完善，氫燃料電池技術開始大規模推廣應用。氫燃料技術的快速發展，緩解了環境污染現狀，也給能源行業及汽車企業帶來新的挑戰和機遇。相關企業可在氫氣供應、加油/充電/加氫一體化運營以及汽車輕量化材料開發方面適時介入新能源汽車產業鏈，實現產業鏈的轉型與調整。

1 氫燃料電池汽車（HFCEV）配置及控制策略研究[1]

氫燃料電池車輛需要燃料電池、電池組、超級電容器、控制器和智能控制單元及其控制策略。Hames通過比較現有關于燃油經濟性的控制策略，提出了安全、低成本和高效率的最佳氫燃料電池汽車配置和控制策略。

氫燃料電池的設計取代了傳統的內燃機，通常，氫燃料電池是環境友好型技術，將進入的氫轉化為電并且有助于能源再生，是具有高能效和低排放的新型能源，除此之外，卻存在功率密度低和功率響應慢的問題。為解決這一缺點，可將超級電容器（SCAP）和電池（BAT）、儲能系統與燃料電池（FC）一起使用，即需要穩健的控制策略。

圖1 氫燃料電池車輛配置示意圖[1]

在圖1所示配置中，控制機制由FC、BAT、SCAP、DC/DC轉換器和逆變器組成。此外，該車輛由三相牽引電動機、輔助裝置、DC總線和儲能系統組成，車輛所需的動力-能量變化和平衡由所有這些元素的穩定功能提供，同時應確定控制策略以防止對系統造成損害。HFCEV的主要能源是FC，FC轉換器用作將FC連接到DC總線的中間層，維持BAT的電壓調節。當燃料電池的功率（PFC）不足時，電池為DC總線和FC產生額外的電力。操作BAT轉換器以保持SCAP的電壓調節，SCAP控制直流母線電壓，并產生FC和BAT無法產生的特定功率，以提供車輛的突然功率需求。逆變器可為牽引電機產生任何所需的輸出電壓，并控制FC-BAT-SCAP的輸出。

為在車輛中提供能量管理，目前已經開發并實施應用了多種控制器，其中最常見的控制器有以下四種：

（1）峰值電源策略（PPSS）

（2）運行模式控制策略（OMCS）

（3）模糊邏輯控制策略（FLCS）

（4）等效氫消費最小化戰略（ECMS）

對比分析各種控制器的優缺點，應該建立安全、低成本和高效的控制策略，以加強未來的運作。最重要的是，必須使燃料經濟性方面的氫消耗最小化，為未來的“綠色能源”和“氫能經濟”做出巨大貢獻。

2 氫燃料電池的燃料優化策略[2]

電池電動汽車和氫燃料電動汽車的技術進步改變了未來汽車的發展前景。然而，在電力/氫氣技術障礙沒有被拆除之前，兩種動力架構都沒有機會完全引入到車輛市場中。文中提出了一種基于當前化石燃料作為增程器的動力總成結構概念設計，將其作為增程器改成氫燃料電池堆系統，并探討在規劃燃料消耗/選擇時，如何通過融入遺傳算法的優化技術實現關鍵性的助力作用。作者的目標是強調采用這種動力系統的可能性及對其適當的管理，使氫燃料成為當今汽車領域內可行的能源載體。

燃料管理系統（FMS）模型包括管理電池中存儲的電力和燃料電池堆的氫消耗。開發的FMS的基本工作如下：電力需求來自電動機模型；轉換器根據電池瞬時工作電壓調整需求，并將其轉換為電流需求；FMS決定電池的消耗是否需要來自燃料電池堆系統的能量。車輛的燃料消耗如圖2所示。

FMS決定何時應該啟動燃料電池和供應的能量。如圖2所示，當SoC達到其最低允許安全值30%時，FCRES為電池提供充電所需的電力，但有兩種不同的方式：

增加電池SoC：通過增程器使用指定電流值為電池供電，以避免電池低于其臨界極限（20%SoC）停車，FMS在達到80%的SoC時斷開燃料電池增程器系統，為可能的能量恢復提供余量；還可以通過使用制動系統來調節再生制動電荷，當SoC達到上限時，液壓制動系統接管制動需求而避免電池過充。

圖2 燃料消耗流程圖[2]

維持電池SoC：通過增程器系統使用最佳瞬時電流值為電池供電，以保護電池低于其臨界極限并最大限度地減少氫氣消耗。在這種情況下，系統必須在25%至35%SoC限制之間維持電池工作。

綜上所述，本文通過應用不同的測試來研究不同能量管理策略的范圍和燃料消耗量，基于遺傳算法來實現氫燃料電池配有增程器車輛的燃料優化。

3 氫燃料電池技術對中重型卡車的影響[3]

本研究基于車輛動態模擬和來自真實世界車輛測試數據研究，進行了氫能燃料電池電動卡車（FCET）及就傳統柴油卡車在能源使用和排放物方面進行全面和最新的生命周期比較。

圖3 氫燃料VS.傳統柴油[3]

如上圖反映的，對于集中式蒸汽甲烷重整（SMR）途徑，與其柴油相比，氫FCET使生命周期或Well-To-Wheel（WTW）石油能量使用減少了98%以上。氣態氫（G.H2）FCET的WTW空氣排放減少溫室氣體為20%至45%，VOC為37-65%，CO為49-77%，NOx為62-83%，PM10為19-43%，PM2.5為27-44%，具體值取決于車輛重量等級和卡車類型。FCET產生比柴油發電機組更多的WTW SOx排放，主要是因為氫氣壓縮/液化用電過程的排放。

從傳統柴油轉換為FCET將減少化石燃料消耗生命周期、溫室氣體排放和空氣污染物排放。與傳統的柴油卡車相比，氫FCET幾乎可以消除每輛車的石油能耗。在制動熱效率方面，FCET的優勢仍然顯著。此外，基于可再生能源的氫燃料生產技術（如太陽能電解）可以大大提高FCET的整體效益，遠遠超過非電動能源——柴油。

為進一步推進FCET的生命周期研究，可以進行更深一步的改進。

首先，本研究采用了最新的EPA/NHTSA測試循環和復合燃料消耗估算方法，由于中型和重型車輛非常多樣化類型和應用，可考慮更多不同的工作循環或運行條件；

其次，除了與傳統柴油卡車的比較之外，可以將其他技術（例如生物柴油、柴油混合電動和壓縮天然氣）與FCET進行比較；

第三，與傳統柴油卡車的非電動先進車輛技術相比，可評估CAP(GHGs and criteria air pollutant)排放對能源使用和溫室氣體排放的影響；

第四，需要結合其他氫途徑的更全面的分析；第五，需要進一步調查，以評估FCET對空氣質量改善的好處。

4 全球技術法規中氫燃料電池汽車的氫監測[4]

NREL和JRC傳感器實驗室完成了兩項與GTR第5.2節中規定的氫氣監測要求相關的研究，以確定車輛碰撞試驗后的燃料系統完整性。該研究的主要結論包括：

-TC傳感器兼容氫和氦測量；

-合理布置的TC傳感器與車輛碰撞測試兼容，并具有GTR所要求的計量性能規范；

-如果在車廂內積聚達到了不安全的氫氣水平，建議在車輛碰撞試驗期間以及隨后的1小時保持時間內實時接觸傳感器輸出（例如通過遙測）。

以上工作表明，商業上有效的傳感器技術可用于驗證是否符合GTR要求。研究過程的發現可供DOT使用，因此也可供GTR委員會和氫能工業使用。碰撞試驗之后，一種可驗證燃油系統完整性的手段得到證實，同時燃料電池電動車（FCEV）廢氣分析儀正在處于開發過程中，而且已確定一個低成本傳感器用在這臺分析儀上。

5 直接氫燃料電池汽車成本分析[5]

直接氫燃料電池電動汽車（FCEV）產物僅有水，消除了含碳量較高的尾氣和與內燃機車輛（ICEV）相關的空氣污染物排放。然而，為了實現與ICEV的經濟持平，降低系統成本是必須克服的技術難關。前期調查表明，美國大約有3 000輛氫質子交換膜（PEM）燃料電池輕型汽車，預測未來幾年這些車輛的數量將顯著增加。電池電動汽車和FC電動汽車中重復部件（電池和FC堆棧）的使用使得高容量、高利用率的生產線成為可能，且年產量（10萬輛/年）低于ICEV（50萬輛/年）。因此，顯示兩種費率的成本，可便于與其它電動車輛和ICEV進行更直接的比較。

為了透明且全面地估算PEM燃料電池電力系統的制造和組裝成本以識別成本驅動因素，Simon使用四步方法：

和諧是一種完美，是自然界、人類社會、人類思維存在的最理想狀態。“凡是美的都是和諧的和比例合度的，凡是比例和諧的和比例合度的就是真的，凡是既美又真的也就在結果上是愉快的和善的。”這段話揭示出和諧與真、善、美的關系。教學的最終目的是使學生的基本素質和個性品質得到全面、充分、和諧的發展。

（1）系統概念設計

如圖4中的系統示意圖所示，包括空氣回路、燃料回路和高（HTL）、低溫液體（LTL）冷卻劑回路，其中，氫氣儲存罐和閥門（用虛線標注）不包括在成本分析中；

（2）系統物理設計

基于物理設計創建物料清單，包括子系統、組件、材料、制造和裝配過程、尺寸和其他關鍵信息的定義；

（3）建立成本模型

主要使用制造設計和裝配，用于估算FC電力系統的制造和裝配成本；

（4）持續評估降低成本

從模擬的2017年FC系統的結果中，發現催化劑層和雙極板仍然是成本的兩大貢獻因素，因此是實現降低成本所關注的焦點。研究發現，最有可能成功降低雙極板成本的措施是：

（1）更快的加工速度，每年生產500,000個系統，并且不需要太多平行生產線；

圖4 LDV汽車燃料電池系統[5]

（2）新材料，目前的雙極板材料成本（沒有加工）超過了雙極板的DOE成本目標，開發新材料是降低成本的另一實現形式。

此外，支持DFMA?分析的假設和方法是針對目前以低生產率制造的現實技術（豐田Mirai內的燃料電池系統）的類似分析進行測試的。總體而言，該分析繼續為燃料電池組件的戰略發展提供指導，未來會更多致力于將單個組件和材料耐久性的信息納入模型，實現真實系統的快速升級。