氫燃料電池汽車核心技術應用介紹

燃料電池電動汽車（FCEV）已被視為未來汽車工業愿景，在過去的十年中，越來越多的概念和原型被引入。在技術發展的同時，最近關于全球變暖和氣候變化的討論為零排放汽車帶來了公眾的支持。盡管有進展和支持，FCEV的引入速度仍不理想。本文主要介紹了燃料電池汽車核心技術應用案例，包括燃料電池汽車碰撞實驗傳感器技術要求、兩級減壓系統、燃料電池動力總成系統衰減機理、燃料電池阻抗檢測器技術、先進熱管理系統和燃料電池汽車技術路線圖的制定。

1 氫燃料電池汽車碰撞實驗對傳感器要求

（1）在FCEV碰撞試驗中監測氫/氦的傳感器和方法[1]

NREL(National Renewable Energy Laboratory)和JRC(Joint Research Centre)傳感器實驗室完成了兩項與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。在第一項研究中，NREL有機會在實際碰撞試驗中使用氫傳感器測試示范FCEV。該項目的目標是確定一種能夠響應氫氣或氦氣釋放的傳感器或傳感器方法，確定可以在車輛碰撞測試的影響下存活的技術，并且仍然滿足驗證FCEV燃料系統完整性的計量要求。NREL和JRC的第二項研究評估了GTR（Global Technical Regulation）的建議，即通過測量車廂內氧氣的減少可以進行氫氣測定。

（2）用于在碰撞試驗后驗證燃料系統完整性的傳感器[1]

雖然有各種氫傳感器平臺可以響應氫氣，但大多數都不會對氦氣做出反應。這是一個值得關注的問題，因為GTR允許氦氣在車輛碰撞試驗中用作氫的替代物。在演示碰撞試驗中，車輛燃料系統用氦氣加壓。后碰撞試驗條件的一個具體要求是，在碰撞試驗撞擊后1小時內，氫氣不得在任何車廂（例如乘客艙，行李箱，燃料電池外殼）中累積至濃度大于4%，或者如果氦是用作替代品，不超過3 vol%。

一種對氫和氦敏感的傳感器平臺是導熱（TC）傳感器，其可從許多供應商處商業獲得，包括以物理上堅固的封裝配置的模型。盡管TC傳感器對氫氣與氦氣的靈敏度不同，如圖1所示，但這不是一個問題，因為在碰撞試驗中，會確定是否使用氦氣或氫氣。當然，氫氣將始終用于正常的車輛操作。

圖1 （上）商用TC傳感器對0.2，1.0和2.0 vol%H 2和He的響應[1]；（下）傳感器對氫和氦的相應最終指示。傳感器經過工廠標定，輸出相當于vol%H 2的響應[1]

經過標定的傳感器成功地監測車輛乘客艙內和燃料箱附近車輛下方燃料系統的完整性。雖然檢測到少量氦氣釋放，但這些被認為主要是碰撞試驗程序造成的，并且車輛顯示符合GTR。該研究的主要結論包括[1]：

●TC傳感器兼容氫和氦測量；

●適當封裝的TC傳感器與車輛碰撞測試兼容，并具有GTR要求的計量性能規格；

●如果在車廂內積聚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小時保持期間實時接觸傳感器輸出（例如通過遙測）。

2 兩級高壓減壓系統

氫燃料電池汽車的核心部件之一是氫減壓系統，浙江大學、瑞典Lund大學與Hangzhou Worldwides Valve公司合作項目中對減壓系統進行了分析，圖2顯示了新設計的兩步高壓減壓系統的結構。該系統由兩部分組成，新型HMSPRV和多級消聲器。與老型號的HMSPRV相比，這種新設計的兩級高壓減壓系統的結構改進主要包括三級套筒用于取代單級套筒以降低噪音，與老型號HMSPRV相比，新設計的兩段式高壓減壓系統的結構改進主要包括：采用三級套筒代替一級套筒降噪；首次采用減壓系統。此外，閥體結構從角型改為貫通型，以減少氫氣流對閥體的影響。此外，為了改善流場，閥室被擴展并設計為弧形過渡。此外，孔板孔的直徑減小以控制噪音。另外，為了減少噪音和振動，調整閥芯的壁厚。

圖2 兩步高壓減壓系統的結構[2]

該新設計的兩級高壓減壓系統的工作原理如下。氫氣從閥門入口流入，然后進入閥門，套筒中的第一級節流部件。在流出這些套管孔以實現三級減壓過程后，氫氣將進入閥芯。接下來，氫氣流過孔板孔并從新的HMSPRV中流出。綜上所述，氫氣在閥門中完全經歷了五級減壓過程。之后，氫氣流入多級消聲器，并依次流過這些消聲器孔。在這種程度上，整個減壓過程完成。

新設計的兩級高壓減壓系統具有降噪、實現多級減壓過程、改善流場和處理復雜條件等優點。

3 燃料電池電動汽車的動力總成系統衰減機理研究

燃料電池動力總成耐久性是燃料電池汽車大規模商用應用的主要技術瓶頸之一，研究其耐久性的實質問題是要研究電池堆在典型工況的衰減機理，這些典型工況包括啟動和關閉、怠速、大負荷和動態負荷，動態負荷和大負荷是燃料電池耐久性研究的重點，同濟大學在這方面的研究處于國際領先地位，他們提出了燃料電池衰減的機理。當然通過優化燃料電池汽車能量管理策略，可以減低導致電池衰減的工況運行時間。

（1）PEMFC在動態載荷循環中的衰減機理

由于道路交通的復雜性，有必要研究真實動態載荷下的燃料電池耐久性。雖然大多數關于穩態運行下燃料電池壽命的實驗都證明了可接受的結果，衰減率在2到10μV/h之間，但它們的運行時間遠小于40 000 h。至于AST，幾乎所有的裂化率都大于10μV/h。研究人員發現，大部分性能損失是由于Pt/C陽極材料的衰減造成的。它是由測試中使用的快速變化的負載頻率引起的，并最終導致嚴重的燃料/空氣不足，Ptnano顆粒生長和聚集。更重要的是PEM稀釋和催化層（CL）衰變是在這種加速衰減測試下永久性能降低的兩個主要原因。負載循環中的燃料電池性能下降主要有以下三種機理[3]：

1）燃料電池短期反應物饑餓導致單電池“反轉”現象，并且局部熱點出現在膜電極組件（MEA）或鉑催化劑表面。碳載體可直接參與化學反應并被破壞。

2）燃料電池負荷變化會導致陰極電位頻繁變化在0.6-0.9 V之間，并會加速催化劑的溶解速率和碳載體的氧化速度。

3）對水和熱管理的更高要求可能導致水淹、脫水或燃料電池的高溫，這會使反應物更加頻繁地匱乏。

（2）PEMFC在怠速和重載循環中下的衰減機理

許多學者指出，當燃料電池在高輸出功率下運行時，燃料電池性能將更快地衰減。Jian Xie分析了恒流輸出時的燃料電池極化曲線，發現當電流密度大于0.8 A/cm2時，FC輸出電壓明顯加速[4]。

另外，當FCEV在低負荷條件下連續運轉時，反應氣體進口速率低。根據Turhan的研究，當反應氣體流速較低時，液態水會在流動通道中積聚[3]。同時，當進氣速率低時，FC內部壓力會降低，這可能會導致水飛濺。淹沒可以阻擋氣體擴散層（GDL）的小孔，阻礙反應氣體到達催化表面，導致反應氣體饑餓。然后FC輸出電壓立即降低，甚至發生反極性現象，導致燃料電池性能衰減。此外，從燃料電池效率曲線可以看出，燃料電池在低負荷范圍內通常是低效的，這不利于燃料電池混合系統的整體效率提高。對于重載條件下的燃料電池性能退化機理，R Lin指出高電流密度會影響膜-催化劑的耦合，改變催化劑形狀和催化劑粒徑，這將導致燃料電池在高電流密度下的降解速率比低電流密度快得多[3]。

4 燃料電池阻抗檢測器的配置[5]

（1）燃料電池等效電路

燃料電池的等效電路如圖3所示.Rmem是聚合物電解質膜的電阻，RACT是電阻，因為催化劑層中氫和氧之間的化學反應速率不同，CDK是陰極（氧）側電極和離子傳導之間的電荷雙層的電容分量。

圖3 燃料電池等效電路[5]

公式（1）可以代表圖3的等效電路。如果頻率為“0”，則組合阻抗為Rmem+RACT，如果頻率為無窮大，則組合阻抗變為Rmem。雖然每個燃料電池的特性是不同的，但是已知當頻率高于300 Hz時可以獲得無限頻率阻抗的Rmem。

燃料電池聚電解質膜的電阻與水含量高度相關。當電解質膜含有大量水分時，電阻變小，而當水分含量小時，電阻增加。根據電解質膜的電阻特性，可以確定水的狀態。可以適當地控制聚合物電解質膜的含水量，并且可以提高燃料電池的耐久性和性能。

（2）燃料電池阻抗檢測器的配置

在本文中，未檢測到燃料電池的單元電池的阻抗，并且檢測燃料電池堆的阻抗，即整個電池的總阻抗。使用AC阻抗方法的燃料電池堆的阻抗檢測方法。燃料電池阻抗檢測器由三部分組成：交流發電機、堆電壓/電流測量器和阻抗計算單元。

交流電流產生部分用于將交流電流注入燃料電池堆，并具有方波或正弦波產生方法。正弦波生成方法是使用DC/AC轉換器或DC/DC轉換器的方法。在本文中，使用DC/DC轉換器，并且使用非隔離雙向轉換器。堆電壓/電流測量單元通過注入的交流電流測量在燃料電池堆中產生的電壓和電流的交變信號。阻抗計算單元通過對所測量的堆疊的電壓和電流的AC分量的頻率分析來獲得特定頻率的大小，并使用該結果來計算阻抗。

5 熱管理系統[6]

燃料電池在運行時會產生大量的熱，燃料電池的性能對溫度的反應比較敏感，電池組性能與壽命受到電池自身溫度與電池組內部溫度均勻性的影響較大。因此，在進行電池模塊的設計時必須考慮電池組的熱管理系統。

熱管理系統的目的是獨立于環境溫度控制工作溫度。另一個目標是將溫度擴散限制在最大10K。

由于廢氣熱量在大約80°C時釋放，而內燃機的溫度為120°C，因此需要大約兩倍的冷卻器表面。因此，BREEZE的冷卻器是全新設計的。使用縱梁之間的整個寬度，并且冷卻器深度顯著增加。大型單風扇由6個較小的風扇取代。此外，雙極板、冷卻器和端板設計用于最小化壓力損失。冷卻流體循環由架式系列泵驅動泵參數為12 V、最大功率約為200 W。圖4提供了整個冷卻系統的概述。在40℃的環境溫度和80℃的冷卻劑溫度下，可以在約100 km/h的車速和全風扇功率下提供超過36 kW的FC總功率。這使得平原中的充電維持模式能夠達到120 km/h。

圖4 帶有FC-REX的FEV Liiona冷卻系統（用于電力電子設備的低溫冷卻回路和灰色的電動機，用于FC系統的黑色高溫冷卻回路）[6]

由于FEV Liiona冷卻回路的溫度水平限制在55°C，但燃料電池冷卻回路中的溫度可以達到80°C，冷卻系統被分成兩個回路。對于增程器，用于電動壓縮機的油冷卻器和逆變器以及用于將FC堆棧連接到FEV Liiona的高壓總線的升壓轉換器。增壓空氣冷卻器和電動徑向壓縮機的電動機被冷卻，3/2-通混合閥允許控制離開REM冷卻流體的一部分通過高溫冷卻器。因此，可以根據冷卻負荷自由地控制溫度水平。兩個離子交換器分別與高溫冷卻器和增壓空氣冷卻器平行安裝，以確保冷卻流體在所有操作模式下都通過離子交換器流動。

6 鷹眼FCEV路線圖的制定[7]

氫能和氫燃料電池技術在汽車產業上的應用已經進入了發展的快車道，如何在發展愿景的大背景下制定氫燃料電池汽車發展技術路線圖是企業核心技術規劃的能力建設的一部分，包括創新技術預測、技術前景評估、技術生命周期、技術價值鏈、技術市場應用、顧客吸引度及利益攸關方等。俄羅斯的國家高等經濟大學的知識經濟和統計研究院的Ozcan Saritas教授帶領的研究團隊，對氫燃料電池汽車技術進行了技術經濟分析，提出了技術路線圖方法。

這里給出的路線圖模板是基于市場驅動和技術驅動的方法設計的，該方法從市場需求分析開始。FCEV路線圖的詳細描述包括對市場和客戶的關鍵需求的分析、幾種場景中可能的市場開發、對特定類型FCEV的未來需求的估計及相關要求，包括潛在的措施和活動以及利益相關方的論證。它還要求在識別未來動態的基礎上，對技術創新和產品開發進行綜合分析。因此，FCEV路線圖允許考慮技術和市場兩方面，提供市場拉動和技術推動方法的組合。該過程將產生一個路線圖，展示新產品和技術，這對于實現既定目標和包含經濟評價和比較未來發展的替代路徑的商業地圖是很重要的。此外，路線圖應提供市場拉動的詳細分析，包括以下內容：產品應用領域確定技術解決方案的需求、FCEV不同細分市場的特殊性、技術設施與消費者需求之間的平衡、技術軌跡的經濟估算、利益相關方分析以及旨在支持市場化技術和產品的建議。它還將特別關注技術推動因素的描述：為FCEV提供競爭優勢的技術、技術限制、優先技術任務和揭示跨學科技術。

FCEV路線圖的主要結構在圖5上給出：路線圖模板包括四個主要層面[7]：

技術層面：該層包含已識別時間范圍內的預期技術的描述。它提供了對這些技術的SWOT分析，總結了每種技術的優點和局限性。它還提供了滿足市場需求所需的目標屬性的預測，以及為實現這些功能而必須完成的一系列主要技術任務。最后，它提供了一個機會，可以根據實施準備情況和潛在影響估算每種技術的前景。

產品層面：該層提供了預期產品的簡要描述，包括商業化的準備程度和研究區域的潛在影響。它還估算了商業化的潛在時間以及每種產品最具潛力的市場定位。

市場層面：將基于鷹眼視圖方法詳細闡述潛在的FCEV市場發展情景。該路線圖將簡要介紹主要市場的特點以及每個方案和每個市場的可能策略。因此，所有市場描述應該從最有前景的到最小的順序進行。

備選方案：該路線圖還揭示了替代產品和解決方案的可能發展。它考慮了主要產品屬性的動態和這些產品的出口機會及其成本。

FCEV路線圖揭示了實現市場目標和選擇有效資源配置的替代方法。該路線圖考慮了制造和市場發展、技術、產品和服務的前景，有助于設計從FCEV的技術到市場入口的復雜創新價值鏈，并允許建立將FCEV開發與其他相關行業（供應商和消費者）聯系起來的戰略相關產品/技術。它整合了專家組對FCEV及相關領域的創新發展方式的看法，提供了一套有根據的創新發展軌跡，并指出了主要的分支作為關鍵決策的要點。應定期更新路線圖，以提高其決策的實用價值。

圖5 路線圖結構[7]

7 結束語

近年來燃料電池電動汽車技術快速發展的同時，仍有許多問題亟待解決。本文主要介紹了燃料電池汽車核心技術應用案例，不僅包括在汽車碰撞實驗中對傳感器的技術要求、阻抗檢測器的配置，也包括燃料電池電動汽車的兩級減壓系統、燃料電池動力總成系統、熱管理系統相關技術的介紹，最后對燃料電池汽車技術路線圖的制定做了簡要概括。本文通過介紹氫燃料電池汽車中的一些核心技術，為相關方向提供了技術參考與支持。