探究氫燃料電池商用汽車布置設計

江鈴重型汽車有限公司 山西 太原 030032

氫燃料電池作為商用汽車的動力來源，其中包括動力電池總成、氫氣罐總成、動力輸出系統總成以及燃料電池堆總成等。氫氣罐通常是在汽車底盤中部位置，用于儲存氫氣，其他前后懸架和制動總成等結構，經過長期改進和發展也有了新的變化。尤其是輪轂電機技術的出現，促使汽車內部空間面積大大增加，可以提供給人員更大的舒適性[1]。尤其是車輛底盤前后端均勻分布負載，車輛總體中心大大降低，不僅提升了車輛操控性能，也在很大程度上增強了車輛的行駛安全性，對于保障人員生命而言有著積極作用。

1 氫燃料電池商用汽車的優勢分析

氫燃料電池在運行中，分別將氫氣和氧氣供給給陽極、陰極，在電極擴散層下進入到催化層、質子交換膜位置，在催化劑作用下形成質子與電子，電化學反應生成熱量與水，冷卻系統將熱量帶走，具體反應式包括:

就氫燃料電池在商用汽車布置設計中應用優勢來看，有以下幾點:

(1)高效率。氫燃料電池商用汽車具有高效氯特點，可以將化學能高效轉化為電能，不需要機械能與熱能變換，發電效率最高達到50%以上，轉化能力超過傳統內燃機。

(2)零排放。氫燃料電池為動力的汽車，綜合考量了工作環境舒適性、操作便捷性，由于選擇氫氣和氧氣為燃料電池主要構成成分，生成清潔的水分，不會產生一氧化碳與二氧化碳，并且沒有硫物質排出，所以可以實現零污染、零排放的目標[2]。

(3)加氫時間短。氫燃料電池汽車以氫氣為主要能源，通過儲氫罐存儲氫氣，燃料使用后直接灌入氫氣即可，每次加氫時間大概在5min～10min左右，滿足車輛持續運行300公里到500公里，極大的提升了車輛運行效率。

2 電堆總成布置設計

2.1 布置位置 電堆總成通常是在氫燃料電池商用汽車的車底布置，也可以在發動機艙布置。在前者位置布置，是由于發動機艙空間狹窄，如果布置在發動機艙會占用大量的面積，其他零部件需要在車底布置，包括電機控制器MCU、空壓機控制器和升壓DC/DC等。因此，多數情況下在車底布設電堆總成。后者則是在發動機艙布置，此中不知方式同電堆各附件的距離較近，管路不需要長距離布設，整體結構布置較為緊湊。但此種方式由于發動機艙空間狹窄，零部件諸多，如何實現各系統合理布設，通常會將DC/DC或蓄電池移除發動機艙。

2.2 電堆姿態布置 電堆電化學反應時會有水在陰極產生，以水氣為主，少數會凝結尾液態水，如果這部分液態水無法及時有效排出，可能會滲透到陽極位置，或是堵塞空氣通道。所以，空氣通道由上向下順利流通，在重力作用下加快排水，最大程度上規避液態水堆積。陽極位置，由于氫氣降壓散熱導致溫度下降，電堆入口處由于高低溫混合致使水汽凝結，不利于氫氣氧化反應。所以，氫氣與空氣進口均是在上方布置，下方則是出口，為了規避車輛在上下坡行駛或是加減速影響，所以最佳的進出口是朝向車輛兩側，不適合在車輛前后位置。

2.3 電堆總成布置 在發動機艙和徹底布置電堆總成，由于技術不斷推陳出新，電堆總成尺寸規格明顯變小，未來主要發展趨勢則是發動機艙位置，朝向最佳是車輛的兩側。

3 電堆附件系統總體布置設計

3.1 空氣供應系統 空氣供應系統是氫燃料電池商用汽車布置設計的重要組成部分，進入燃料電池的空氣過濾、增壓和冷卻處理，根據實際情況調節壓力。

3.2 空氣系統布置具體內容

(1)優先布置。空氣供應系統包括加濕器總成、空濾器總成和空氣壓縮機等部分，管路占據空間較大，直徑大，應優先布置管路，確保管路盡可能緊湊布置，減少占用空間。如，本田的CLARITY電堆是在發動機艙布置，便于空氣洗同的優化布置設計。

(2)減震設計。減震設計是用于減少汽車行駛過程中的震動作用，如空氣壓縮機和空濾器總成之間的管路布設，前者是在動力總成布置，后者則是在車身上布置，二者連接管路以S型為主，但是空氣壓縮機運行中會產生一定的振動效應，所以不適合設計為直管。

空氣供應系統布置設計，需要結合氫燃料電池商用汽車特點綜合考量，由于空氣供應系統占據較大的體積，通常優先布置，適當的縮短管路距離，不僅可以起到降低成本的作用，還可以提升整體美觀性；設計S型連接管路，可以起到緩沖作用，避免對管路帶來損傷。

3.3 氫氣供應系統

(1)氫氣供應系統。其中包括供氫系統和車載氫系統兩個部分，其中車載氫系統包括儲氫、加氫和減壓的作用，檢測反饋溫度和壓力等指標，用于啟閉控制；供氫系統具有循環應用、排水氣和調壓等功能，保證氫燃料電池供應系統運行。

(2)氫氣系統布置要求。車載氫系統中的組件較多，有過濾器、減壓閥和氫瓶等部分，用于氫氣燃料存儲、輸送和利用，由于自身特性，應避免此裝置受到損壞影響到氫燃料電池供應系統正常運行。泄放管路是在車輛尾部布置，規避徹底氫氣大量積聚，同時還要保證車載氫系統的管路設置位置不會損傷蓄電池、電器，遠離熱源出現電弧，間距大概在200mm左右；氫瓶的布置位置商用車一般在底盤車架兩側。

(3)供氫系統布置。供氫系統用于滿足氫燃料電池商用汽車燃料需求，如何規避電堆水淹情況的出現，在電堆下位置布設水氣分離器和氫氣循環泵裝置，便于將多余的水氣抽出。規避受到冷或熱水氣作用產生冷凝水汽，氫氣循環泵輸出原理電堆氫氣輸入口，適當增加排水氣模塊實現氫氣預熱處理，便于多余水氣充分排出。

結論

綜上所述，氫燃料電池商用汽車相較于傳統汽車，不僅可以起到減少化石能源耗量的情況，還可以增加汽車內部空間，提升汽車的行駛性能與操控性能，所以通過合理的布置設計，有助于推動汽車產業更高層次發展。