車用燃料電池系統(tǒng)技術(shù)綜述

王宇鵬 馬秋玉 趙洪輝 丁天威 趙子亮

（中國(guó)第一汽車集團(tuán)有限公司新能源開(kāi)發(fā)院，長(zhǎng)春 130011）

主題詞：燃料電池系統(tǒng) 核心技術(shù) 新能源汽車

1 燃料電池汽車發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢(shì)

燃料電池汽車（Fuel Cell Electric Vehicles，F(xiàn)CEVs）是一種以電機(jī)為動(dòng)力源，利用燃料電池系統(tǒng)（Fuel Cell System）將氫氧燃料中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能，提供主要能量源實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)的新型汽車，具有與內(nèi)燃機(jī)汽車幾乎相當(dāng)?shù)膭?dòng)力性、續(xù)駛里程、低溫環(huán)境適應(yīng)性，能量轉(zhuǎn)化效率高、環(huán)境友好，被認(rèn)為是未來(lái)清潔能源汽車發(fā)展的終極趨勢(shì)。

美日歐等國(guó)家及地區(qū)高度重視燃料電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展，投入大量人力、物力、資金支持該項(xiàng)技術(shù)，并積極推動(dòng)配套基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)。根據(jù)各國(guó)發(fā)展戰(zhàn)略，預(yù)計(jì)2020年可基本實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車批量市場(chǎng)化。日本提出氫能社會(huì)目標(biāo)，計(jì)劃將氫能網(wǎng)作為電網(wǎng)的互補(bǔ)，構(gòu)建新型能源體系；美國(guó)依托能源部以及加州零排放計(jì)劃等政策，重點(diǎn)加強(qiáng)氫能基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)建設(shè)；歐盟計(jì)劃到2025年使氫成為主要的交通燃料；韓國(guó)政府平均每年在燃料電池方面的資助超過(guò)1億美元[1][2]。

我國(guó)持續(xù)支持燃料電池汽車相關(guān)技術(shù)的研發(fā)工作，經(jīng)過(guò)“十一五”、“十二五”技術(shù)攻關(guān)，我國(guó)的燃料電池汽車技術(shù)已取得較大進(jìn)展，國(guó)家在“十三五”期間對(duì)車用燃料電池的相關(guān)投入也不斷增大。

目前，國(guó)際燃料電池汽車在整車性能方面，已基本達(dá)到傳統(tǒng)車的指標(biāo)水平，且以全功率型式為主，僅在成本方面尚有待于進(jìn)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(kāi)亮相，這是全世界第一款面向私人用戶市場(chǎng)的燃料電池汽車。本田公司于2008年開(kāi)始生產(chǎn)FCX Clarity，為日本和美國(guó)加利福尼亞南部地區(qū)的客戶提供租賃，并于2016年3月推出量產(chǎn)車型Clarity。2013年2月，在韓國(guó)現(xiàn)代蔚山工廠正式下線了全世界第一輛量產(chǎn)版氫燃料電池車--ix35 FCV；2018年，現(xiàn)代汽車集團(tuán)正式發(fā)布了新一代的燃料電池汽車--Nexo。戴姆勒將燃料電池系統(tǒng)搭載在B級(jí)車上，在2010年在美國(guó)實(shí)現(xiàn)租賃發(fā)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(jiǎn)介

燃料電池通過(guò)電化學(xué)反應(yīng)，將儲(chǔ)存在氫氧燃料中的電化學(xué)轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)車輛，氫氧電化學(xué)反應(yīng)不受燃燒熱機(jī)卡諾循環(huán)限制，效率高，且生成物僅為水，成為未來(lái)清潔能源汽車發(fā)展的重要趨勢(shì)。燃料電池工作基本反應(yīng)式如下：

燃料電池汽車主要由氫瓶、FCS（燃料電池系統(tǒng)）、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、DC/DC轉(zhuǎn)換器、以及動(dòng)力電池組成，其中，氫瓶為燃料電池系統(tǒng)提供反應(yīng)氣體，氫瓶可以有多種尺寸和壓力范圍，現(xiàn)在氫瓶壓力已經(jīng)達(dá)到35 MPa的技術(shù)水平，新技術(shù)已將70 MPa儲(chǔ)氫瓶作為未來(lái)的發(fā)展目標(biāo)。燃料電池系統(tǒng)將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能，驅(qū)動(dòng)電機(jī)驅(qū)動(dòng)汽車行駛，DC/DC用于實(shí)現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換。燃料電池汽車構(gòu)成如圖1所示。

圖1 燃料電池汽車構(gòu)成

燃料電池汽車在環(huán)境保護(hù)、續(xù)航里程、動(dòng)力性等方面具有明顯的先天技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)、插電混合動(dòng)力、純電動(dòng)等類型的汽車對(duì)比中極具競(jìng)爭(zhēng)力（圖2）。后續(xù)隨著燃料電池技術(shù)的進(jìn)一步成熟與產(chǎn)業(yè)化的大規(guī)模推廣，壽命與成本等關(guān)鍵指標(biāo)將逐步提升以滿足消費(fèi)者的實(shí)際需求。

圖2 不同類型汽車對(duì)比

2.2 燃料電池整車對(duì)燃料電池系統(tǒng)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(jìng)爭(zhēng)力，就需要從性能、壽命、環(huán)境適應(yīng)性、成本等方面滿足消費(fèi)者的需求，因此對(duì)燃料電池系統(tǒng)提出以下的需求：在性能方面，為保證整機(jī)在汽車機(jī)艙有限的空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)布置，就必須要求燃料電池系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大功率的同時(shí)，具有更高的體積比功率指標(biāo)；為保證燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)24萬(wàn)公里的使用壽命，就需對(duì)燃料電池系統(tǒng)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(huán)境中均可運(yùn)行，就要燃料電池系統(tǒng)在低溫條件下可實(shí)現(xiàn)冷啟動(dòng)，并在高原環(huán)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(tǒng)汽車相比具有溢價(jià)能力，就需要從產(chǎn)品設(shè)計(jì)、生產(chǎn)制造、加工工藝等方面不斷降低燃料電池系統(tǒng)的綜合成本。

3 燃料電池系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)

3.1 系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

燃料電池系統(tǒng)由空氣供應(yīng)、氫氣供應(yīng)、水熱管理、電子控制等四個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成，各個(gè)子系統(tǒng)各司其職，保證電堆時(shí)刻工作在最適宜的環(huán)境中。燃料電池工作原理圖如下：

圖3 燃料電池系統(tǒng)工作原理圖[3]

空氣供應(yīng)子系統(tǒng)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(yīng)條件。空氣供應(yīng)子系統(tǒng)由空氣濾清器、空壓機(jī)、中冷器、膜加濕器等部件組成。其中空氣壓縮機(jī)是提升燃料電池系統(tǒng)性能的關(guān)鍵零部件，豐田已經(jīng)實(shí)現(xiàn)去增濕器的自增濕功能。

氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)保證氫氣從儲(chǔ)存的氫罐到電堆入口處，經(jīng)過(guò)一系列壓力和流量調(diào)節(jié)裝置來(lái)保證進(jìn)入電堆氫氣壓力和流量的穩(wěn)定。氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)主要部件包括：減壓裝置、引射器、氫循環(huán)泵等。其中氫氣循環(huán)泵與引射器是提升燃料電池系統(tǒng)氫氣利用率與水管理能力的關(guān)鍵部件。

水熱管理子系統(tǒng)保證燃料電池電堆在正常溫度區(qū)間，并將燃料電池產(chǎn)生大量的廢熱排出系統(tǒng)，保持燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的溫度與濕度平衡。水熱管理子系統(tǒng)包括水泵、散熱器、去離子裝置等部件。

電子控制子系統(tǒng)可以通過(guò)電子控制系統(tǒng)中的DC/DC來(lái)完成功率變換，對(duì)燃料電池功率的變化速度進(jìn)行控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)功率電壓的控制；并可以通過(guò)分析DC/DC產(chǎn)生的擾動(dòng)信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)電堆內(nèi)部水含量的監(jiān)控。

3.2 燃料電池發(fā)展關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)及趨勢(shì)

燃料電池技術(shù)在各國(guó)政府政策的大力扶持下不斷進(jìn)步，目前已有眾多整車廠的燃料電池汽車進(jìn)入到了量產(chǎn)階段，目前，我國(guó)燃料電池技術(shù)的發(fā)展與國(guó)際先進(jìn)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(dòng)、成本等方面，未來(lái)我國(guó)燃料電池技術(shù)商業(yè)化推廣的關(guān)鍵在于以下先進(jìn)技術(shù)指標(biāo)的實(shí)現(xiàn)，具體指標(biāo)要求見(jiàn)下表[4][5]。

表1 關(guān)鍵技術(shù)指標(biāo)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(tǒng)在汽車有限的機(jī)艙空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)布置，就必須要求燃料電池系統(tǒng)在實(shí)現(xiàn)大功率的同時(shí)，有更高的體積比功率。目前，國(guó)外燃料電池發(fā)電系統(tǒng)凈輸出功率最高可達(dá)100 kW級(jí)，體積比功率可達(dá)600 W/L以上；而國(guó)內(nèi)體積比功率僅達(dá)到400～450 W/L，燃料電池發(fā)電系統(tǒng)輸出功率僅達(dá)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(jī)、系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)等方面存在較大差距[6][7]。為了提高燃料電池系統(tǒng)的功率和功率密度，從電堆方面，解決大功率電堆流場(chǎng)設(shè)計(jì)與組堆工藝、高性能膜電極制備等關(guān)鍵問(wèn)題；從燃料電池系統(tǒng)方面，解決滿足要求的高壓高效空壓機(jī)、大回流比氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件的研制問(wèn)題，解決膨脹機(jī)/壓縮機(jī)一體化設(shè)計(jì)、自増濕控制、燃料電池系統(tǒng)集成化設(shè)計(jì)等技術(shù)問(wèn)題，提高系統(tǒng)功率密度。

3.2.2 長(zhǎng)壽命

為保證燃料電池汽車實(shí)現(xiàn)與傳統(tǒng)車相同的使用壽命，需要對(duì)燃料電池系統(tǒng)提出5 000 h的基本壽命要求。國(guó)外已有乘用車用燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)間接近5 000 h，如圖4所示；受限于對(duì)燃料電池關(guān)鍵材料與部件劣化機(jī)制的認(rèn)知，現(xiàn)階段國(guó)內(nèi)燃料電池的壽命約為3 000 h，尚不滿足產(chǎn)品化應(yīng)用的要求。為了提高燃料電池系統(tǒng)壽命，在材料方面，應(yīng)解決質(zhì)子交換膜、催化劑、催化劑載體研制和雙極板涂層工藝等問(wèn)題；在控制方面，重點(diǎn)研究面向耐久性的系統(tǒng)集成控制，減少氫/空界面、高電位腐蝕、電堆內(nèi)部故障、供氣不足等造成的燃料電池壽命衰減問(wèn)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(duì)比[10]

3.2.3 冷啟動(dòng)

燃料電池在低于0℃的環(huán)境中時(shí)，燃料電池陰極產(chǎn)生的水會(huì)結(jié)冰，無(wú)法從燃料電池內(nèi)移除，并在電堆內(nèi)部堆積（圖5），從而覆蓋活性表面、堵塞流道、損傷聚合物膜結(jié)構(gòu)，致膜鼓脹、破裂、穿孔等問(wèn)題。燃料電池汽車應(yīng)在各個(gè)地區(qū)實(shí)現(xiàn)全天候運(yùn)行，這就需要燃料電池系統(tǒng)至少在-30℃的環(huán)境中可以實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)功能。為了實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)，需要實(shí)時(shí)測(cè)量燃料電池內(nèi)部濕度、精確控制催化層溫度、并應(yīng)用電堆自生熱與外部保溫，實(shí)現(xiàn)燃料電池低能耗快速冷啟動(dòng)[11][12]。

圖5 燃料電池內(nèi)水傳輸過(guò)程[13]

3.2.4 低成本

預(yù)計(jì)到2020年，燃料電池系統(tǒng)成本要達(dá)成40美元/kW的指標(biāo)（年產(chǎn)50萬(wàn)臺(tái)），并逐步實(shí)現(xiàn)30美元/kW的終極目標(biāo)，如圖6所示。從燃料電池系統(tǒng)的成本分解可以看出，輔助系統(tǒng)部件和電堆的成本可以約各占系統(tǒng)總成本的50%[14]，燃料電池系統(tǒng)降成本方案主要從部件和電堆兩個(gè)方面考慮。部件層面，提高對(duì)空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵零部件的研發(fā)力度，開(kāi)發(fā)自增濕技術(shù)方案，簡(jiǎn)化系統(tǒng)部件；電堆層面，減少貴金屬鉑的用量、降低質(zhì)子交換膜的成本、尋找廉價(jià)的金屬材料，簡(jiǎn)化雙極板加工工藝等途徑來(lái)降低成本。

圖6 車用燃料電池系統(tǒng)成本預(yù)測(cè)[15]

3.3 關(guān)鍵零部件

燃料電池系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)的提升必須要以關(guān)鍵零部件技術(shù)提升為前提，其中關(guān)鍵零部件主要包含空氣壓縮機(jī)、加濕器、氫氣循環(huán)裝置等。

3.3.1 空氣壓縮機(jī)

空氣壓縮機(jī)是空氣供應(yīng)子系統(tǒng)中的核心部件，較高的進(jìn)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(tǒng)空壓機(jī)不同，燃料電池系統(tǒng)對(duì)空壓機(jī)提出以下六點(diǎn)要求：無(wú)油、廣域、高效、靜音、小型、快響[18]～[23]。

現(xiàn)主流空壓機(jī)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(jī)工作原理圖[24]

圖8 離心式空壓機(jī)工作原理圖[24]

圖9 雙螺桿式空壓機(jī)工作原理圖[24]

羅茨式空壓機(jī)是一種回旋容積式轉(zhuǎn)子泵，內(nèi)部有一對(duì)相互嚙合的含有齒槽的轉(zhuǎn)子，通過(guò)轉(zhuǎn)子的旋轉(zhuǎn)以及齒和齒之間的空隙來(lái)輸送氣體。雙螺桿空壓機(jī)增壓是通過(guò)齒間容積的不斷變化實(shí)現(xiàn)的，而容積的變化又通過(guò)陰、陽(yáng)轉(zhuǎn)子在機(jī)體內(nèi)回轉(zhuǎn)、工作齒的不斷嚙合分離來(lái)完成，即通過(guò)增壓器的內(nèi)壓縮過(guò)程實(shí)現(xiàn)增壓的目的。離心式空壓機(jī)，主要由進(jìn)氣道、工作輪（含導(dǎo)風(fēng)輪）、擴(kuò)壓器和出氣蝸殼等部件組成[25]，它是通過(guò)旋轉(zhuǎn)部件葉輪將能量傳遞給連續(xù)工作流體的機(jī)械。三種空壓機(jī)各自具有優(yōu)缺點(diǎn)，性能對(duì)比分析如表2所示：

表2 三種空壓機(jī)性能對(duì)比

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

3.3.2 增濕器

燃料電池電堆在工作過(guò)程中，水的形式和分布關(guān)系到電池內(nèi)部反應(yīng)氣體的傳質(zhì)能力，進(jìn)而影響電池的功率輸出。當(dāng)含水量達(dá)到飽和，電解質(zhì)膜的離子導(dǎo)電性較高，能提升燃料電池的整體效率。水含量過(guò)高會(huì)導(dǎo)致膜電極被水淹，增加電堆內(nèi)部傳質(zhì)阻力，影響氧化劑的傳輸；水含量過(guò)低會(huì)影響質(zhì)子交換膜內(nèi)質(zhì)子的傳導(dǎo)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(tài)，采取自增濕或外部增濕等手段，使質(zhì)子交換膜不脫水、不被水淹，保持電堆高效穩(wěn)定的運(yùn)行，因此，加濕系統(tǒng)就顯得相當(dāng)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(yīng)生成水來(lái)提供；

圖10 自增濕流場(chǎng)方案設(shè)計(jì)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(zhuǎn)輪吸收燃料電池濕熱尾氣中的熱量與水分，對(duì)進(jìn)入焓輪的空氣進(jìn)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(duì)空壓機(jī)壓縮后的干燥空氣進(jìn)行增濕，現(xiàn)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(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如下表：

表3 增濕方案對(duì)比

由表3對(duì)比可以看出，外部增濕技術(shù)要求低，可控性強(qiáng)、增濕量大且增濕穩(wěn)定，是現(xiàn)階段燃料電池普遍采用的增濕方式。自增濕技術(shù)優(yōu)勢(shì)明顯，可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)體積，同時(shí)降低了制造成本，被認(rèn)為是未來(lái)主流的技術(shù)方向。

3.3.3 氫氣循環(huán)裝置

通過(guò)氫氣循環(huán)方法（圖13），可以把燃料電池電堆內(nèi)部生成的水帶走，同時(shí)經(jīng)過(guò)水氣分離裝置，將液態(tài)水排出，再通過(guò)氫氣循環(huán)裝置將氫氣回流到燃料電池電堆重復(fù)使用，以提高氫氣利用率，這樣還可以使得燃料電池內(nèi)部氣體分布更加均勻，有效改善陽(yáng)極堵水、氫氣滲透等問(wèn)題[29][30]。

圖13 氫氣循環(huán)基本原理圖[29]

各種氫氣循環(huán)裝置優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比如表4。

表4 氫氣循環(huán)裝置特點(diǎn)對(duì)比

從表4中幾種形式對(duì)比可以看出，陽(yáng)極閉端氫氣利用率差，電堆內(nèi)部氣體極易分布不均；引射器雖然可以實(shí)現(xiàn)氫氣循環(huán)利用，但其工作范圍窄，在小流量工況下效果差；氫氣循環(huán)泵一般是容積式的流體泵，在循環(huán)較大流量的氫氣時(shí)，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(duì)葉片的腐蝕、氫脆等技術(shù)難題亟待解決。綜合考慮，采用引射器與氫氣循環(huán)泵并聯(lián)方式的氫氣循環(huán)裝置，減少了氫氣循環(huán)泵對(duì)氫氣循環(huán)量的要求，功率消耗、循環(huán)效果與成本均有了較大程度的提升，是大回流比氫循環(huán)裝置的最優(yōu)選擇。

4 小結(jié)

燃料電池汽車具有替代傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車的潛力，是汽車領(lǐng)域下一輪競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。從整車需求出發(fā)，開(kāi)發(fā)滿足市場(chǎng)和用戶需求的燃料電池系統(tǒng)是關(guān)鍵，其中核心技術(shù)主要體現(xiàn)在燃料電池系統(tǒng)匹配與設(shè)計(jì)、燃料電池電堆、燃料電池關(guān)鍵零部件的開(kāi)發(fā)等。除此之外，燃料電池也不是一個(gè)孤立的技術(shù)點(diǎn)，而是一個(gè)涉及到上下游產(chǎn)業(yè)鏈的綜合體系，需要協(xié)同各方資源共同促進(jìn)燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展。