車用燃料電池系統技術綜述

王宇鵬 馬秋玉 趙洪輝 丁天威 趙子亮

（中國第一汽車集團有限公司新能源開發院，長春 130011）

主題詞：燃料電池系統 核心技術 新能源汽車

1 燃料電池汽車發展現狀與趨勢

燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicles，FCEVs）是一種以電機為動力源，利用燃料電池系統（Fuel Cell System）將氫氧燃料中的化學能直接轉化為電能，提供主要能量源實現動力驅動的新型汽車，具有與內燃機汽車幾乎相當的動力性、續駛里程、低溫環境適應性，能量轉化效率高、環境友好，被認為是未來清潔能源汽車發展的終極趨勢。

美日歐等國家及地區高度重視燃料電池產業發展，投入大量人力、物力、資金支持該項技術，并積極推動配套基礎設施的建設。根據各國發展戰略，預計2020年可基本實現燃料電池汽車批量市場化。日本提出氫能社會目標，計劃將氫能網作為電網的互補，構建新型能源體系；美國依托能源部以及加州零排放計劃等政策，重點加強氫能基礎設施網絡建設；歐盟計劃到2025年使氫成為主要的交通燃料；韓國政府平均每年在燃料電池方面的資助超過1億美元[1][2]。

我國持續支持燃料電池汽車相關技術的研發工作，經過“十一五”、“十二五”技術攻關，我國的燃料電池汽車技術已取得較大進展，國家在“十三五”期間對車用燃料電池的相關投入也不斷增大。

目前，國際燃料電池汽車在整車性能方面，已基本達到傳統車的指標水平，且以全功率型式為主，僅在成本方面尚有待于進一步下降。2014年11月，豐田公司的燃料電池汽車Mirai在洛杉磯車展首次公開亮相，這是全世界第一款面向私人用戶市場的燃料電池汽車。本田公司于2008年開始生產FCX Clarity，為日本和美國加利福尼亞南部地區的客戶提供租賃，并于2016年3月推出量產車型Clarity。2013年2月，在韓國現代蔚山工廠正式下線了全世界第一輛量產版氫燃料電池車--ix35 FCV；2018年，現代汽車集團正式發布了新一代的燃料電池汽車--Nexo。戴姆勒將燃料電池系統搭載在B級車上，在2010年在美國實現租賃發售；2018年推出GLC燃料電池版汽車。

2 燃料電池汽車概述

2.1 燃料電池汽車簡介

燃料電池通過電化學反應，將儲存在氫氧燃料中的電化學轉化為電能，驅動車輛，氫氧電化學反應不受燃燒熱機卡諾循環限制，效率高，且生成物僅為水，成為未來清潔能源汽車發展的重要趨勢。燃料電池工作基本反應式如下：

燃料電池汽車主要由氫瓶、FCS（燃料電池系統）、驅動電機、DC/DC轉換器、以及動力電池組成，其中，氫瓶為燃料電池系統提供反應氣體，氫瓶可以有多種尺寸和壓力范圍，現在氫瓶壓力已經達到35 MPa的技術水平，新技術已將70 MPa儲氫瓶作為未來的發展目標。燃料電池系統將化學能轉化為電能，驅動電機驅動汽車行駛，DC/DC用于實現功率轉換。燃料電池汽車構成如圖1所示。

圖1 燃料電池汽車構成

燃料電池汽車在環境保護、續航里程、動力性等方面具有明顯的先天技術優勢，在與傳統內燃機、插電混合動力、純電動等類型的汽車對比中極具競爭力（圖2）。后續隨著燃料電池技術的進一步成熟與產業化的大規模推廣，壽命與成本等關鍵指標將逐步提升以滿足消費者的實際需求。

圖2 不同類型汽車對比

2.2 燃料電池整車對燃料電池系統的需求

燃料電池汽車在整車商品性上與其他類型的汽車具有競爭力，就需要從性能、壽命、環境適應性、成本等方面滿足消費者的需求，因此對燃料電池系統提出以下的需求：在性能方面，為保證整機在汽車機艙有限的空間內實現布置，就必須要求燃料電池系統在實現大功率的同時，具有更高的體積比功率指標；為保證燃料電池汽車實現24萬公里的使用壽命，就需對燃料電池系統提出至少5000 h的使用壽命要求；為保證燃料電池汽車在不同溫度、海拔環境中均可運行，就要燃料電池系統在低溫條件下可實現冷啟動，并在高原環境中也能正常工作。為保證燃料電池汽車在成本方面與傳統汽車相比具有溢價能力，就需要從產品設計、生產制造、加工工藝等方面不斷降低燃料電池系統的綜合成本。

3 燃料電池系統關鍵技術

3.1 系統方案設計

燃料電池系統由空氣供應、氫氣供應、水熱管理、電子控制等四個子系統構成，各個子系統各司其職，保證電堆時刻工作在最適宜的環境中。燃料電池工作原理圖如下：

圖3 燃料電池系統工作原理圖[3]

空氣供應子系統為燃料電池電堆提供最佳流量、壓力、溫度、濕度的空氣，以保證燃料電池合適的反應條件。空氣供應子系統由空氣濾清器、空壓機、中冷器、膜加濕器等部件組成。其中空氣壓縮機是提升燃料電池系統性能的關鍵零部件，豐田已經實現去增濕器的自增濕功能。

氫氣供應子系統保證氫氣從儲存的氫罐到電堆入口處，經過一系列壓力和流量調節裝置來保證進入電堆氫氣壓力和流量的穩定。氫氣供應子系統主要部件包括：減壓裝置、引射器、氫循環泵等。其中氫氣循環泵與引射器是提升燃料電池系統氫氣利用率與水管理能力的關鍵部件。

水熱管理子系統保證燃料電池電堆在正常溫度區間，并將燃料電池產生大量的廢熱排出系統，保持燃料電池系統內部的溫度與濕度平衡。水熱管理子系統包括水泵、散熱器、去離子裝置等部件。

電子控制子系統可以通過電子控制系統中的DC/DC來完成功率變換，對燃料電池功率的變化速度進行控制，進而實現對功率電壓的控制；并可以通過分析DC/DC產生的擾動信號，進而實現對電堆內部水含量的監控。

3.2 燃料電池發展關鍵技術指標及趨勢

燃料電池技術在各國政府政策的大力扶持下不斷進步，目前已有眾多整車廠的燃料電池汽車進入到了量產階段，目前，我國燃料電池技術的發展與國際先進水平還存在一定差距，尤其是在大功率/功率密度、壽命、低溫啟動、成本等方面，未來我國燃料電池技術商業化推廣的關鍵在于以下先進技術指標的實現，具體指標要求見下表[4][5]。

表1 關鍵技術指標要求

3.2.1 大功率/高功率密度

在性能方面，為保證燃料電池系統在汽車有限的機艙空間內實現布置，就必須要求燃料電池系統在實現大功率的同時，有更高的體積比功率。目前，國外燃料電池發電系統凈輸出功率最高可達100 kW級，體積比功率可達600 W/L以上；而國內體積比功率僅達到400～450 W/L，燃料電池發電系統輸出功率僅達到50 kW左右，在大功率電堆、大功率電堆需求的大壓比空壓機、系統集成設計等方面存在較大差距[6][7]。為了提高燃料電池系統的功率和功率密度，從電堆方面，解決大功率電堆流場設計與組堆工藝、高性能膜電極制備等關鍵問題；從燃料電池系統方面，解決滿足要求的高壓高效空壓機、大回流比氫循環泵等關鍵零部件的研制問題，解決膨脹機/壓縮機一體化設計、自増濕控制、燃料電池系統集成化設計等技術問題，提高系統功率密度。

3.2.2 長壽命

為保證燃料電池汽車實現與傳統車相同的使用壽命，需要對燃料電池系統提出5 000 h的基本壽命要求。國外已有乘用車用燃料電池系統運行時間接近5 000 h，如圖4所示；受限于對燃料電池關鍵材料與部件劣化機制的認知，現階段國內燃料電池的壽命約為3 000 h，尚不滿足產品化應用的要求。為了提高燃料電池系統壽命，在材料方面，應解決質子交換膜、催化劑、催化劑載體研制和雙極板涂層工藝等問題；在控制方面，重點研究面向耐久性的系統集成控制，減少氫/空界面、高電位腐蝕、電堆內部故障、供氣不足等造成的燃料電池壽命衰減問題，以提高使用壽命[8][9]。

圖4 乘用車用燃料電池使用壽命對比[10]

3.2.3 冷啟動

燃料電池在低于0℃的環境中時，燃料電池陰極產生的水會結冰，無法從燃料電池內移除，并在電堆內部堆積（圖5），從而覆蓋活性表面、堵塞流道、損傷聚合物膜結構，致膜鼓脹、破裂、穿孔等問題。燃料電池汽車應在各個地區實現全天候運行，這就需要燃料電池系統至少在-30℃的環境中可以實現低溫啟動功能。為了實現這一指標，需要實時測量燃料電池內部濕度、精確控制催化層溫度、并應用電堆自生熱與外部保溫，實現燃料電池低能耗快速冷啟動[11][12]。

圖5 燃料電池內水傳輸過程[13]

3.2.4 低成本

預計到2020年，燃料電池系統成本要達成40美元/kW的指標（年產50萬臺），并逐步實現30美元/kW的終極目標，如圖6所示。從燃料電池系統的成本分解可以看出，輔助系統部件和電堆的成本可以約各占系統總成本的50%[14]，燃料電池系統降成本方案主要從部件和電堆兩個方面考慮。部件層面，提高對空壓機、氫循環泵等關鍵零部件的研發力度，開發自增濕技術方案，簡化系統部件；電堆層面，減少貴金屬鉑的用量、降低質子交換膜的成本、尋找廉價的金屬材料，簡化雙極板加工工藝等途徑來降低成本。

圖6 車用燃料電池系統成本預測[15]

3.3 關鍵零部件

燃料電池系統技術指標的提升必須要以關鍵零部件技術提升為前提，其中關鍵零部件主要包含空氣壓縮機、加濕器、氫氣循環裝置等。

3.3.1 空氣壓縮機

空氣壓縮機是空氣供應子系統中的核心部件，較高的進氣壓力與空氣流量可以提升燃料電池電堆的功率密度和效率[16][17]。與傳統空壓機不同，燃料電池系統對空壓機提出以下六點要求：無油、廣域、高效、靜音、小型、快響[18]～[23]。

現主流空壓機類型主要為羅茨式、離心式、雙螺桿式三種[24]，下圖7～9所示：

圖7 羅茨式空壓機工作原理圖[24]

圖8 離心式空壓機工作原理圖[24]

圖9 雙螺桿式空壓機工作原理圖[24]

羅茨式空壓機是一種回旋容積式轉子泵，內部有一對相互嚙合的含有齒槽的轉子，通過轉子的旋轉以及齒和齒之間的空隙來輸送氣體。雙螺桿空壓機增壓是通過齒間容積的不斷變化實現的，而容積的變化又通過陰、陽轉子在機體內回轉、工作齒的不斷嚙合分離來完成，即通過增壓器的內壓縮過程實現增壓的目的。離心式空壓機，主要由進氣道、工作輪（含導風輪）、擴壓器和出氣蝸殼等部件組成[25]，它是通過旋轉部件葉輪將能量傳遞給連續工作流體的機械。三種空壓機各自具有優缺點，性能對比分析如表2所示：

表2 三種空壓機性能對比

由表2對比可以看出，離心式空壓機在響應性和工作范圍上存在一定的劣勢，并且高速電機、高速空氣動壓軸承仍然是世界性難題，但離心式空壓機在效率、噪聲、緊湊性等方面擁有不可比擬的優勢，也被認為是最具潛力的燃料電池專用空壓機的類型。

3.3.2 增濕器

燃料電池電堆在工作過程中，水的形式和分布關系到電池內部反應氣體的傳質能力，進而影響電池的功率輸出。當含水量達到飽和，電解質膜的離子導電性較高，能提升燃料電池的整體效率。水含量過高會導致膜電極被水淹，增加電堆內部傳質阻力，影響氧化劑的傳輸；水含量過低會影響質子交換膜內質子的傳導效率，降低電堆輸出性能與使用壽命。為了使燃料電池保持正常工作狀態，采取自增濕或外部增濕等手段，使質子交換膜不脫水、不被水淹，保持電堆高效穩定的運行，因此，加濕系統就顯得相當重要[26][27]。

目前，主流的加濕方式有自增濕（圖10）、焓輪增濕（圖11）、增濕器增濕（圖12）三種方式[28]：

（1）自增濕：燃料電池電堆增濕的水全部由陰極反應生成水來提供；

圖10 自增濕流場方案設計圖[28]

圖11 焓輪增濕方案工作原理圖[28]

圖12 膜增濕器方案工作原理圖[28]

（2）焓輪增濕：陶瓷轉輪吸收燃料電池濕熱尾氣中的熱量與水分，對進入焓輪的空氣進行加熱增濕；

（3）增濕器增濕：利用燃料電池電堆濕熱的空氣尾氣對空壓機壓縮后的干燥空氣進行增濕，現主要有平板膜增濕器與中空纖維增濕器兩種類型。

各種增濕方式優缺點對比如下表：

表3 增濕方案對比

由表3對比可以看出，外部增濕技術要求低，可控性強、增濕量大且增濕穩定，是現階段燃料電池普遍采用的增濕方式。自增濕技術優勢明顯，可以簡化系統結構，減少系統體積，同時降低了制造成本，被認為是未來主流的技術方向。

3.3.3 氫氣循環裝置

通過氫氣循環方法（圖13），可以把燃料電池電堆內部生成的水帶走，同時經過水氣分離裝置，將液態水排出，再通過氫氣循環裝置將氫氣回流到燃料電池電堆重復使用，以提高氫氣利用率，這樣還可以使得燃料電池內部氣體分布更加均勻，有效改善陽極堵水、氫氣滲透等問題[29][30]。

圖13 氫氣循環基本原理圖[29]

各種氫氣循環裝置優缺點對比如表4。

表4 氫氣循環裝置特點對比

從表4中幾種形式對比可以看出，陽極閉端氫氣利用率差，電堆內部氣體極易分布不均；引射器雖然可以實現氫氣循環利用，但其工作范圍窄，在小流量工況下效果差；氫氣循環泵一般是容積式的流體泵，在循環較大流量的氫氣時，要消耗較大功率，且噪聲較大，不易密封，并且還存在流通濕氫氣對葉片的腐蝕、氫脆等技術難題亟待解決。綜合考慮，采用引射器與氫氣循環泵并聯方式的氫氣循環裝置，減少了氫氣循環泵對氫氣循環量的要求，功率消耗、循環效果與成本均有了較大程度的提升，是大回流比氫循環裝置的最優選擇。

4 小結

燃料電池汽車具有替代傳統內燃機汽車的潛力，是汽車領域下一輪競爭的焦點。從整車需求出發，開發滿足市場和用戶需求的燃料電池系統是關鍵，其中核心技術主要體現在燃料電池系統匹配與設計、燃料電池電堆、燃料電池關鍵零部件的開發等。除此之外，燃料電池也不是一個孤立的技術點，而是一個涉及到上下游產業鏈的綜合體系，需要協同各方資源共同促進燃料電池汽車產業化的發展。