新型商用車燃料電池驅動裝置

S.ROTHGANG S. NIGRIN M.BENRA M.BECKER

將燃料電池用作動力裝置有利于商用車技術的發展。燃料電池在續航里程和充電時間等方面明顯優于傳統蓄電池。為了實現相關技術的推廣，必須進一步降低成本。該目標可通過調整燃料電池尺寸，推進標準化進程，以及提高系統可靠性而實現。Pierburg公司目前已開發出了全新的燃料電池產品，以此滿足未來商用車燃料電池驅動裝置在品質、安全性和使用壽命等方面的需求。

商用車;燃料電池;質子交換膜燃料電池;蓄電池

0?前言

在過去的20年中，燃料電池的發展雖然呈現出多樣化的趨勢，但其在商用車驅動裝置領域中，至今仍未出現實質性的突破。早在20世紀，部分城市客車也曾小批量地使用過燃料電池，但是其技術發展的重點仍集中在轎車領域。近年來，研究人員將燃料電池的應用領域逐步過渡到商用車方向。這主要是由于降低CO2排放的歐盟商用車法規已于近期正式通過。該法規規定在2030年之前，車輛CO2排放必須比目前基準階段降低30%。這個目標促使電驅動力總成系統逐步取代車用柴油機，從而推動了商用車燃料電池的應用。與蓄電池相比，燃料電池的優點表現在行駛里程較長和燃料加注時間較短等方面，同時還可顯著優化整車布置方式，并實現輕量化，從而有效改善整車經濟性（表1）。此外，如果以不增加CO2排放為前提，以此能進一步凸顯燃料電池的技術優勢，因為其能量密度高于蓄電池，同樣也改善了制造過程中對環境造成的負面影響。

1?降低成本是重要的挑戰

在德國，燃料電池技術已較為成熟，并能投入大批量生產，但目前面臨的1項重要挑戰是加氫站的規模及數量依然較為有限。除此之外，研究人員仍需要進一步降低燃料電池系統的制造成本。在控制成本方面，科技界和工業界都已取得了重要進展。目前，除了燃料電池堆自身以外，對成本影響最大的因素是燃料供給裝置和輔助設備。為此，現階段的燃料電池系統具有多種尺寸形式可供選擇，并且其技術性能可滿足不同的功率需求[1]。另外，目前市場上現有的燃料電池系統和功率等級需要實現統一化和標準化。

當今在汽車領域廣受關注的質子交換膜燃料電池（PEMFC），除了開放式系統中的氧供給系統之外，共有2種封閉式循環回路可供選擇。其中1種用于燃料電池堆的熱調節，另外1種則用于供應氫燃料[1-2]。燃料電池系統的整個外圍設備通常被稱為輔助控制系統（BoP），采用了機電一體化組件，其成本約為整個系統的25%（圖1）。

2?構件的繼承和標準化是關鍵

Pierburg公司多年來大批量制造了可用于PEMFC系統的各類零部件，以及其他與燃料電池密切相關的輔助產品。目前，該公司將研發重點集中在陰極閥、冷卻液泵及氫再循環增壓器等方面（圖2和圖3）。

冷卻液泵和氫增壓器有著較高的標準化要求，同時還需要配備一定比例的通用件，才能使產品的成本和品質與技術轉換、使用壽命及運行安全性等因素實現協調一致，并使新開發的高電壓冷卻液泵和經改進的氫增壓器得以充分利用。為了進一步提高通用件比例并降低開發費用，研究人員將冷卻液泵、氫增壓器、大容量電機、功率電子器件（換流器）等高電壓部件和軟件進行分開設計，并且將全部的機械和電子組件集成在圓柱形整體式殼體中，其中包括轉子結構組件、電機及其他電子器件（圖4）。

考慮到汽車制造商的設計和安全性規定，電機和電子器件基本上是按LV123/124標準而設計的，因此確保了最高電壓等級為800 V的HV2b和HV3 等設備的安全使用。電機運行所使用的高電壓功率電子器件通常會與電壓系統和控制器局域網絡（CAN）總線接口進行分開布置。電子器件直接與無刷直流同步電動機（BLDC）相連，以便遵循ECE-R10標準，并確保系統的可靠性和電磁特性。冷卻液泵和氫增壓器具有無級轉速調節、系統診斷和選擇性網絡管理功能。

接觸介質的轉子結構組件與電子器件的密封隔離可通過塑料縫隙式管而實現。該縫隙式管可通過純靜態負荷O型圈對殼體進行密封，并確保系統內部保有約0.8 MPa的壓力。在這2種流體機械中，這種縫隙式管可避免介質與氫混合氣及電子器件的大范圍接觸。同時，靜態密封原理不會受摩擦老化的影響，因此能確保產品在整個使用壽命期內可靠運行。

研究人員在選擇接觸介質的結構組件材料時，除了確保其耐腐蝕性之外，也考慮到了離子和材料析出可能性，以避免氫增壓器中MEA的加速退化及冷卻液泵中冷卻液導電性的逐漸提高。在該方面，滾動軸承作為唯一存在磨損情況的構件而成為研究關注的焦點，在冷卻液泵中通常會采用通過合成材料制成的軸承。由于在氫增壓器中存在氣體介質，研究人員為其配備了密封滾動軸承，以便在選擇材料時實現相互協調，并防止其產生靜電負荷和電火花。此外，研究人員通過設計優化，使這種專門開發的軸承潤滑材料在成分、粘度和化學穩定性等方面有著優異性能，從而確保軸承在整個使用壽命期內處于低摩擦運行狀態。

3?燃料電池陰極閥

與內燃機相似，為使燃料電池堆正常運作，應為其供應經增壓裝置壓縮后的清潔空氣。為了對新鮮空氣、旁通空氣和廢氣進行流量調節，需要配備電動閥系統。此外，如果燃料電池堆處于非工作狀態，由此會通過具有較高密封性的單向閥與周圍環境實現密封隔離。

根據使用情況，上述閥板和閥門在與水和氫進行接觸時，應具有較好的穩定性和耐久性。這就需要使閥體與執行機構之間實現良好的密封，特別是單向閥在關閉時應呈現出較好的密封性，而且必須在整個使用壽命期內得以有效維持。

基于內燃機節氣門的開發經驗，Pierburg公司旗下的研究人員設計了一系列可用于燃料電池負極側的調節閥和單向閥，并已投入小批量生產。內燃機節氣門的基本方案由可旋轉的閥板和集成式的直流電機執行器所組成，目前已保留了這種基本方案，并根據上述標準進行進一步開發。調節閥板的尺寸已根據其各自的功率等級和所需的空氣流量進行了調整。其他的技術特性，如汽車電路電壓（12/24 V）等，則可根據用戶需求來進行配置。為了滿足較高的密封性要求，研究人員采用了密封環與擺動閥板相結合的結構設計方案，在需要時可通過能實現多次密封的滾針軸承以確保閥板軸與執行器間的密封效果（圖5）。

4?燃料電池的主冷卻液泵

效率高達65%的PEMFC在電化學轉換過程中仍會產生一定損失。為了使反應過程溫度穩定在80～100 ℃，需要采用強制式液體冷卻，以避免燃料電池產生局部熱損傷。同時，在低溫工作狀態下，研究人員應對溫度和濕度進行預處理，由此可使導電性較弱的去電離水和乙二醇混合液流經燃料電池堆，并實現冷卻。由于研究人員將一定數量的電池板進行了串聯處理，因此所需的冷卻液會產生較大的壓力損失。針對這種情況而設計的冷卻液泵應具有合適的特性曲線場，并且能穩定地輸出所需的高功率。為選擇合適的材料，必須確保其具有一定的耐腐蝕性，為此研究人員要采取相應措施以避免其受到冷卻液導電性的影響，同時避免堆芯漏電電流的出現。

Pierburg公司旗下的研究人員設計出了可用于燃料電池的主冷卻液泵。該款主冷卻液泵的電壓為12 V，功率為0.45 kW。研究人員通過設置較高的通用件比例，并采用已投入批量生產的零件，從而有效降低了成本，同時確保了系統可靠性和品質。

在為商用車而開發的系統框架中，由于采用了高電壓驅動方式，主冷卻液泵相應具有較高的功率需求。在商用車上，除了已使用的400 V（HV2b）系統之外，800 V（HV3）系統的電壓也成為了研究人員的關注焦點。專門為商用車而新開發的冷卻液泵已按照上述2種電壓等級和相關要求完成設計，其電功率高達2 kW，因而具有廣闊的應用前景（表2）。

5?氫再循環增壓器

PEMFC在陽極側供應氫燃料。氫燃料通過減壓閥和計量閥而進行輸送，其儲存壓力可根據負荷狀況從目前通用的70 MPa逐步降低到0.1～0.3 MPa。為了改善燃料電池中的反應過程，供應的氫混合氣的化學計量比大于1，堆芯出口處的混合氣濃度也可根據實際運行過程進行調節。根據所采取的運行策略的不同，這種混合氣在堆芯的單元或二元再循環過程中實現重新輸送，并采用了噴射器。由于其運行范圍有限，通常與由電機驅動的主動增壓器相組合，從而被稱為氫再循環增壓器。主動再循環過程擴展了燃料電池的運行范圍，因而使動力總成系統在設計和應用方面具有更高的自由度。其他優勢則體現在對混合氣均質化程度的改善，并有助于堆芯除濕和循環掃氣過程的進行，由此具有更高的效率、更長的使用壽命及更好的動力學性能，同時也改善了冷起動性能。因此，目前大部分車用燃料電池系統都配備了主動再循環功能，其對于商用車系統有著較高的重要性。Pierburg公司旗下的研究人員通過設定，使該系統可通過400 V電壓進行運作，而且可為采用800 V工作電壓的商用車提供氫增壓器，并覆蓋了0.4～1.6 kW的電功率范圍（表3）。

系統所應用的單級側通道泵送單元是1類低壓旋轉式流體機械，其有著較好的靜音性，并可有效降低節流損失。此外，氫增壓器還配備有冷卻水套，從而能確保發動機以全負荷工況實現連續運行，并且在冷起動時可為氫增壓器除霜。

為了防止外部泄漏，研究人員通過設計，使介質所在區域與電子器件之間實現了密封隔離，并在生產流水線終端進行氦氣泄漏檢驗，從而確保其品質。為了使全新的燃料電池汽車成功投產，必須遵循歐盟EG 79/2009法規的規定和限值要求。為了進一步確保系統在整個使用壽命期內能安全可靠地運作，研究人員應預先按照DIN EN 60079-1標準對靜態O形圈縫隙存在的碗形密封失效情況進行研究，并相應調整組件之間的縫隙尺寸，從而避免沿堆芯方向出現著火擊穿現象，同時降低制造過程的成本。

6?結論和展望

燃料電池在商用車領域已取得一定的技術突破。由于可實現較長的行駛里程，且燃料加注時間較短，因而燃料電池汽車相比蓄電池電動汽車具有更好的經濟性。除此之外，在各類替代能源中，氫能更適于進行儲存，從而使其成為車用能源轉型過程的關鍵所在。

基于多年來在燃料電池領域開發的經驗，Pierburg公司已開發出全新產品，從而能滿足未來新一代商用車燃料電池系統在品質、安全性和使用壽命等方面的要求。

[1]HEMMER S，WALTERS M，TINZ S.Skalierbare brennstoffzellensysteme für nutzfahrzeuge[J]. MTZ，2019，80（7-8）：72-79.

[2]SCHICK N. Referenz-brennstoffzellensystem für elektrofahrzeuge[J]. MTZ，2019，80（11）：100-104.