氫燃料電池汽車技術的研究

1 前言

隨著能源與環境壓力的影響，新能源汽車核心技術成為汽車產業可持續發展的關鍵技術。目前，新能源汽車大致包括混合動力電動汽車（HEV）、純電動汽車（BEV，包括太陽能汽車）、燃料電池電動汽車（FCEV）、其他新能源（如超級電容器、飛輪等高效儲能器）汽車等。其中，氫燃料電池汽車具有零污染、零排放、長續航、無振動、噪聲低等優勢，成為新能源汽車領域的“終極環保車”。在國內外相關車企及科研人員的努力下，當前國際氫能燃料電池汽車即將渡過技術開發階段，進入到市場導入階段。本文針對國際上氫燃料電池技術進行以下總結。

2 氫燃料電池的概述

氫燃料電池實質是一種質子交換膜（PEM）燃料電池，是一種清潔能量轉換裝置，可以將反應的化學能直接轉化為電能，可作為傳統車輛內燃機的替代品。氫燃料電池由雙極板（BP）、氣體擴散層（GDL）、微孔層（MPL）、催化劑層（CL）和聚合物膜組成。

針對氫燃料電池內部質量和傳熱特性及由此產生的性能的影響因素，文獻[1]對組裝過程中在雙極板上的機械應力展開研究，提出了一個分析模型，以全面研究夾緊力對PEM燃料電池的質量傳遞、電化學性質和整體電池輸出能力的影響。結果表明，適當的夾緊力可以有效防止氣體泄漏，還可增加相鄰部件之間的接觸面積，從而降低接觸歐姆電阻。然而，由于變形的產生可能阻礙氣體和液態水在GDL層的運輸，并減少通道中的橫截面流動面積。上述因素的組合效應最終會導致電池性能的波動。因此，通過平衡運輸特性與燃料電池中的接觸電阻來優化電池性能。通過使用該分析模型，可以快速預測施加在燃料電池上的最優電池設計參數和夾緊力。

此外，針對氫燃料電池的性能優化，文獻[2]使用MATLAB/Simulink搭建包含質子交換膜燃料電池和開關磁阻電動機及必要接口和控制元件的整體模型。

針對三個主要目標進行單獨或同時優化：

（1）質子交換膜燃料電池堆疊效率;

（2）每安培扭矩比;

（3）轉矩平滑因子。

采用6個控制參數，即燃料電池的溫度、空氣流量、氣壓、燃料壓力及開關磁阻電機的開/閉角，基于蜻蜓算法（Dragonfly Algorithm，DA）進行優化。其中，蜻蜓算法是一種新型群體智能算法，其主要靈感源于蜻蜓的靜態和動態集群行為，而這兩個集群行為可以等效為優化算法中的搜索與開發。數值結果表明，基于蜻蜓算法的控制策略能夠增加質子交換膜燃料電池堆的節能，降低氫消耗。

3 氫燃料電池在汽車上的應用[3]

自2013年以來，通用汽車和本田一直致力于燃料電池的合作。目前，以豐田、本田和現代為代表的汽車制造商已經開始量產燃料電池汽車，以寶馬、奔馳、奧迪、戴姆勒等為代表的汽車制造商也紛紛推出了相應的量產技術，其車輛布局大致如圖2所示：

圖2 氫燃料電池汽車的大致布局[3]

針對氫燃料電池汽車的運行模式，可以簡化為以下5種模式：空轉/低負載、加速/減速/負載循環、啟動-停車、冷凍-解凍循環、來自環境和燃料電池降解產物的污染。

針對加速/減速模式，PEMFC堆棧受需求功率的影響，即取決于環境條件（如道路情況、駕駛員的駕駛行為）。基于負載變化對電池電流、電壓的影響，電壓的上限取決于膜的選擇（厚度/滲透能力），且燃料電池最寬的電壓范圍應約為0.60-0.95 V。此外，多個汽車駕駛循環（如FUDS循環、US06、NEDC等）可用于確定ICE的里程數。

針對啟動-停車模式，如果啟動在短暫的停車期間發生，只要燃料電池的陽極中存在殘留的氫氣，則不會有能量損失。因此，啟動和停車之間的時間間隔是控制PEMFC降解率的重要參數。在啟動-停車過程中，若想將損失降至最低，緩解方案大致包括：

（1）縮短堆疊以最小化潛在的峰值;

（2）使用高流量的氣體通過陽極;

（3）停車后干燥堆疊;

（4）延長殘留氫氣在陽極的時間等。

4 氫燃料電池與其它能量源的組合應用

在混合動力系統中，電池、超級電容器和燃料電池（FC）均可作為電源。在文獻[4]中，將燃料電池混合動力電動汽車（FCHEV）的能源管理系統（EMS）與兩個二次儲能系統（如電池、超級電容器）相結合，進而得到高性能的儲能系統。在可用的電源中，FC產生低直流電壓，并通過2個DC/DC轉換器轉換為恒定電壓。其中一個功率轉換器將電功率傳遞到車輛的輔助負載，另一個轉換器通過直流總線向牽引電動機供電。電池和超級電容器通過雙向轉換器連接到DC總線。逆變器將產生于FC、電池、超級電容器的高壓直流電轉化為高壓交流電（AC）。

混合動力系統中，在FC和超級電容器的初始冷態期間，電池作為輔助電源提供瞬態負載條件下的功率，并通過牽引電機進行再生制動能量的回收。混合動力汽車采用FC+B+UC（燃料電池+電池+超級電容）驅動時，超級電容器為瞬態驅動條件提供補充能源。超級電容器通過雙向DC/DC轉換器并聯到DC，此時超級電容器可以提供峰值功率和制動能量，可減少FC堆疊和電池重量，并進一步延長電池壽命。

此外，燃料混合動力汽車還可與鋰離子電池相結合，以滿足混合動力電動汽車的動力需求[5]。由于在FC對負載需求的突變響應中發生的時間延遲表明了FC堆棧實際上是具有低速動態響應的電源，同時FC堆棧無法存儲減速和制動過程中產生的再生功率，因此需要額外的設備，如可充電電池或超級電容。因此，構建FC/鋰離子電池混合動力源模型，PEMFC電池組用作主電源，鋰離子可充電電池用作輔助能量源。單向DC/DC升壓轉換器與PEMFC堆棧相連，雙向DC/DC升壓-降壓轉換器與鋰離子電池相連，三相異步電動機與牽引電機的三相雙向PWM DC/AC逆變器相連，通過功率控制單元將DC回路電壓調節到特定的恒定值[5]。通過實驗證明在額定功率附近，該構型具有96.1%的效率、高精度的DC回路電壓調節。FC/鋰離子電池混合動力汽車與FCHEV中使用其他動力源的現有技術相比較，在功率效率和速度方面，FC/鋰離子電池混合動力汽車展示了更好的性能。

5 總結

目前氫燃料電池汽車已經取得階段性進步，主要技術進步如下：燃料電池技術成本和耐久性取得一定進展；基于70 MPa儲氫技術，續駛里程得到提高；燃料電池壽命滿足商用要求；低溫環境適應性提高，可適應零下-30℃氣候，車輛適用范圍達到傳統車水平。未來，汽車行業將繼續以高品質產品為核心，進一步拓寬環保車型開發藍圖，為汽車的可持續發展繼續努力。