作者：梁滿志 囤金軍丨中通客車控股股份有限公司
根據(jù)氫燃料電池特性，質(zhì)子交換膜氫燃料電池（PEMFC）是電動汽車的理想動力源，它將氫氣和氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能[1]，其過程不涉及燃燒，能量轉(zhuǎn)化率高，產(chǎn)物僅為電、熱和水，運行平穩(wěn)，噪音低，被稱為“終極環(huán)保發(fā)動機(jī)”。
氫燃料電池是實現(xiàn)氫能源產(chǎn)業(yè)化的核心環(huán)節(jié)，氫燃料電池汽車是我國新能源汽車戰(zhàn)略的重要組成部分，也是氫燃料電池技術(shù)推廣應(yīng)用的重要領(lǐng)域。發(fā)達(dá)國家紛紛將其列入未來汽車先進(jìn)動力的發(fā)展方向和國家戰(zhàn)略，我國政府與各級地方政府先后出臺了一系列政策，規(guī)劃和引導(dǎo)氫燃料電池技術(shù)應(yīng)用和市場的進(jìn)一步發(fā)展。
在應(yīng)用前景方面，我國節(jié)能與新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃提出：至2020年氫燃料電池汽車應(yīng)用規(guī)模超過2萬輛，2025年達(dá)到10萬輛，2030年達(dá)到100萬輛。據(jù)《中國氫能源及燃料電池產(chǎn)業(yè)白皮書》統(tǒng)計，全國22個地區(qū)有60多項氫能開發(fā)政策。預(yù)計到2050年，氫能將至少占領(lǐng)10%在中國終端能源系統(tǒng)，其中氫燃料電池商用車到2050年將達(dá)到160萬輛，市場份額將接近37%[2]，氫燃料電池乘用車到2050年市場份額將超過14%。這一系列的預(yù)測表明，氫燃料電池汽車的應(yīng)用前景十分廣闊。
氫燃料電池客車將成為真正意義上的高效、清潔汽車，這是減少碳排放、節(jié)約化石燃料應(yīng)用的重要手段，氫燃料電池的應(yīng)用將有效改善人類生活空氣質(zhì)量，對環(huán)境保護(hù)及經(jīng)濟(jì)的可持續(xù)發(fā)展有重要意義。
作為能量轉(zhuǎn)換裝置的氫燃料電池根據(jù)電化學(xué)原理將儲存在氫氣和氧氣中的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能。因此，其實際過程是氧化還原反應(yīng)。氫燃料電池主要由4部分組成，即陰極、陽極、外部負(fù)載和電解質(zhì)。氫氣和氧氣分別通過氫燃料電池的陽極流道和陰極流道進(jìn)入電池內(nèi)部，經(jīng)過氣體擴(kuò)散后到達(dá)電極催化層。氫氣在陽極上失去電子，電子通過外部負(fù)載流到陰極與氧氣結(jié)合生成離子[3]，其原理如圖1所示。
圖1 PEMFC氫燃料電池原理
其中陽極反應(yīng)方程式為：
陰極反應(yīng)方程式為：
總反應(yīng)方程式為：
氫燃料電池系統(tǒng)由電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)、電控系統(tǒng)組成，如圖2所示。
圖2 氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)組成
氫燃料電池的集成設(shè)計目標(biāo)是將氫燃料電池零部件按照工作原理及設(shè)計要求，布置在氫燃料電池電堆周邊合理的位置，通過支架、硅膠管和殼體機(jī)械結(jié)構(gòu)將各個子系統(tǒng)零部件合理的連接起來，組成一個剛性整體，最終完成氫燃料電池發(fā)動機(jī)的集成。
2.3.1 電堆的選型研究
分析國內(nèi)商用車用氫燃料電池系統(tǒng)現(xiàn)狀，基本可概括為3大技術(shù)路線，即分別以巴拉德電堆、氫能電堆、國產(chǎn)電堆為核心進(jìn)行擴(kuò)展研發(fā)，下面分別介紹一下以3種電堆為基礎(chǔ)進(jìn)行研發(fā)的優(yōu)缺點。
加拿大Ballard在質(zhì)子交換膜、氫燃料電池開發(fā)和商業(yè)化領(lǐng)域均處于國際先進(jìn)水平，尤其在國內(nèi)與多家公司進(jìn)行合作，并且從北京奧運會到上海世博會，處處能看到加拿大Ballard的身影（圖3）。國內(nèi)多家氫燃料電池系統(tǒng)廠家有應(yīng)用案例，如重塑、氫雄等。
圖3 加拿大Ballard電堆[4]
加拿大Hydrogenics在其電堆（圖4）和端板上已經(jīng)集成了氫氣循環(huán)裝置、加濕裝置、比例閥、單體電壓采集裝置、電堆控制器、氫氣容、電磁閥、傳感器部件，其中電堆控制器包含壓縮機(jī)的控制電路、氫氣循環(huán)泵的控制電路、一些模擬量的輸入、控制信號的輸出（包括流量傳感器、溫度、壓力的采集和電磁閥的控制信號）。電堆控制器將電堆正常運行所需的參數(shù)及控制部件集中控制，保證電堆以最佳的條件工作。因此，采用Hydrogenics的電堆對于集成來說會相對容易很多，并且也會保證電堆的性能和可靠性，但由于其控制包含空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵等附件，其電堆本體也包含一部分附件，對于自主選擇零部件受到一定的限制，后期的成本控制也會受到很大的限制。
圖4 加拿大Hydrogenics電堆[5]
新源動力、國鴻、神力、弗爾賽、氫璞創(chuàng)能等作為國內(nèi)有競爭力電堆生產(chǎn)廠家，均已開發(fā)自主專利的知識產(chǎn)權(quán)技術(shù)，包括氫燃料電池核心部件、核心材料以及發(fā)動機(jī)所需的零部件，技術(shù)水平處于國內(nèi)領(lǐng)先地位，一些核心材料技術(shù)處于國際領(lǐng)先水平。氫燃料電池及零部件的中小規(guī)模的生產(chǎn)測試加工線設(shè)備已完善，能夠?qū)崿F(xiàn)規(guī)?；纳a(chǎn)制造。
2.3.2 供氫系統(tǒng)選型研究
氫氣循環(huán)泵技術(shù)國外廠商遙遙領(lǐng)先，美國Park公司開發(fā)的氫氣循環(huán)泵可用于不同的氫燃料電池汽車，美國Argonne國家實驗室，開發(fā)了氫氣引射裝置以及與氫循環(huán)泵混合循環(huán)系統(tǒng)[6]，各大汽車公司也開發(fā)相應(yīng)的氫氣循環(huán)裝置，并用于氫燃料電池發(fā)動機(jī)。國內(nèi)在此關(guān)鍵部件上以國外訂單采購為主，技術(shù)仍處于研發(fā)階段，雪人股份日前宣布已自主研發(fā)出新型氫氣循環(huán)泵，德燃動力自主研發(fā)的供氫-回氫總成目前已滿足各工況范圍內(nèi)氫循環(huán)要求。
國內(nèi)的車載供氫系統(tǒng)更偏向于系統(tǒng)集成的技術(shù)，儲氫罐閥門、壓縮器、傳感器部件和設(shè)備是以外國采購為主，而這些零部件技術(shù)的落后一定程度上制約上了我國氫燃料電池汽車供氫系統(tǒng)的發(fā)展。國產(chǎn)化是市場最緊迫的需求，國內(nèi)企業(yè)未來需要在研發(fā)零部件方面進(jìn)行不懈努力，以大幅降低成本。
2.3.3 空氣系統(tǒng)選型研究
氧氣供應(yīng)系統(tǒng)提供反應(yīng)所需的氧，可以是純氧，也可以用空氣。氧氣供給系統(tǒng)可以用馬達(dá)驅(qū)動的鼓風(fēng)機(jī)或者空氣壓縮機(jī)，也可以用回收排出余氣的透平機(jī)或壓縮機(jī)的加壓裝置。
典型的氫燃料電池空氣供氣系統(tǒng)主要由化學(xué)空濾器、空壓機(jī)、加濕器和連接管道組成。其中，空壓機(jī)是空氣側(cè)供氣系統(tǒng)的重要部件。增加氫燃料電池發(fā)動機(jī)的效率和功率密度需要通過對氫燃料電池電堆入口空氣進(jìn)行增壓，進(jìn)而增加系統(tǒng)的體積功率密度。然而，空壓機(jī)功耗非常大，大概占?xì)淙剂想姵剌o助系統(tǒng)能耗的80%，其效能直接影響發(fā)動機(jī)系統(tǒng)電堆內(nèi)部的水含量，并且會影響系統(tǒng)的緊湊性和效率[7]。因此，空壓機(jī)的選型占據(jù)尤為突出的位置，在此分析了氫燃料電池空壓機(jī)選型所需的技術(shù)條件，如表1所示。
表1 氫燃料電池空壓機(jī)的技術(shù)要求與評價
空壓機(jī)的種類很多，按工作原理可分為3大類：
（1）容積型：活塞式空壓機(jī)、螺桿式空壓機(jī)、渦旋式空壓機(jī)；
（2）速度型：離心式壓縮機(jī)、鼓風(fēng)機(jī)；
（3）電磁型：電磁式空壓機(jī)、熱力型壓縮機(jī)（如噴射器）。
本文整理的空壓機(jī)類型、優(yōu)缺點和國內(nèi)外生產(chǎn)企業(yè)和機(jī)構(gòu)見表2。
表2 空壓機(jī)類型及優(yōu)缺點比較
當(dāng)前用于氫燃料電池的空壓機(jī)有容積型和高速型2種，電磁類仍未完全進(jìn)入市場?；趪鴥?nèi)外的研究和發(fā)展，離心機(jī)將會占據(jù)越來越重要的位置。大量研究表明，氫燃料電池對空氣系統(tǒng)的要求越來越高，未來發(fā)展可能會偏向于離心機(jī)和渦輪機(jī)[8]。
氫燃料電池空氣系統(tǒng)的另一個關(guān)鍵部件是增濕器，因為氫燃料電池的質(zhì)子交換膜需要含有足夠的水才能促進(jìn)氫質(zhì)子的傳輸，因此需要增濕器將進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行增濕，保障質(zhì)子交換膜的濕潤性[9]。通過提高質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率、降低膜電阻來提高相當(dāng)濕度，從而提高質(zhì)子交換膜氫燃料電池（PEMFC）的性能輸出。但相對濕度也不是越高越好，當(dāng)相對濕度高于100%時，意味著氣體中已有液態(tài)水的存在，如果這些液態(tài)水無法有效排走，那么容易導(dǎo)致水淹。
目前應(yīng)用于PEMFC系統(tǒng)的空氣加濕通常是內(nèi)部加濕和外部加濕。內(nèi)部加濕是通過改變電堆兩側(cè)端板的結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)電堆的內(nèi)增濕；外部加濕是指在反應(yīng)氣體進(jìn)入到電池反應(yīng)前，通過電池外部附加裝置實現(xiàn)對燃料氣體增濕的技術(shù)。
國外已有多廠家開發(fā)出加濕器，并形成產(chǎn)品，能夠滿足備用電源到氫燃料電池公交車用的加濕需要。如美國博純Perma-Pure生產(chǎn)的管式加濕器、加拿大Dipont的板式加濕器、德國Mann-Hummel的板式/管式加濕器和德國Freudenberg FCCT的管式加濕器等。國內(nèi)以采購國外加濕器產(chǎn)品為主，鮮有能自主生產(chǎn)加濕器的企業(yè)，目前國內(nèi)研究機(jī)構(gòu)還處在基礎(chǔ)研究階段。
對于車載PEMFC系統(tǒng)來說，外部加濕因其増濕量大且穩(wěn)定、易于操作的特點成為目前最常用的加濕方式。增濕器導(dǎo)致氫燃料電池系統(tǒng)復(fù)雜且效率低下，還會造成系統(tǒng)的體積密度和功率密度雙降，同時會造成利潤率降低，對氫燃料電池的商業(yè)化發(fā)展是個阻礙。這種背景下，小型化或取消增濕器轉(zhuǎn)而進(jìn)行自増濕的研究和開發(fā)將成為發(fā)展趨勢。豐田等企業(yè)采用先進(jìn)系統(tǒng)設(shè)計，已經(jīng)取消了加濕器，有效提高了低溫冷啟動性能。
2.3.4 水、熱管理系統(tǒng)選型研究
PEMFC實際工作時，熱能積累使電池內(nèi)部逐漸升溫，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)速度和質(zhì)子在電解質(zhì)膜內(nèi)的傳遞速度，并且反應(yīng)產(chǎn)物水也能隨著過量反應(yīng)氣體及時排出。但溫度過高會使質(zhì)子交換膜脫水，導(dǎo)致電性能變差，溫度過高還會造成質(zhì)子交換膜因高溫而被燒灼出大的孔洞，會造成氫氣向空氣側(cè)泄露，因此，維持電堆內(nèi)部溫度在70℃～80℃之間是非常合理的。
合理的吹掃以及過量的空氣可以及時排出電堆陰極側(cè)的水分，避免造成水淹[10]。通過加濕的方法又可以維持PEM膜在最佳的水合狀態(tài)，以獲得較高的傳導(dǎo)性和良好的運行特性。
熱管理系統(tǒng)通過循環(huán)水將電堆內(nèi)部的溫度降低，保障質(zhì)子交換膜不會因為高溫而灼傷出微孔[11]。熱管理系統(tǒng)中還包括水泵、節(jié)溫器、散熱風(fēng)扇、流量計、閥門部件。常用的傳熱介質(zhì)是去離子水或特殊的防凍液。
豐田Mirai氫燃料電池汽車的核心突破技術(shù)之一是將水熱管理做到極致，取消外部加濕器。通過將膜做?。?.01 mm）有利于電池陰陽極之間的水傳遞；將熱管理控制器放置在空氣入口處降低溫度使膜不容易變干；采用空氣和氫氣逆流的方式將反應(yīng)生成的水帶回反應(yīng)中，從而實現(xiàn)了自增濕的作用。此舉大大簡化系統(tǒng)的復(fù)雜度，降低成本，又很好地維護(hù)電堆內(nèi)部的水熱平衡。
氫燃料電池水、熱平衡緊密相連，并且對其性能、耐久性和安全性有著至關(guān)重要的作用。因此，保持水、熱最佳的平衡需要精確的對空氣和氫氣以及水的流速和流量進(jìn)行控制[12]。
2.3.5 電控系統(tǒng)研究
氫燃料電池電控系統(tǒng)主要由FCU（氫燃料電池控制器）對各種輸入信號進(jìn)行判斷計算，并由執(zhí)行機(jī)構(gòu)如空壓機(jī)、水泵等部件進(jìn)行動作執(zhí)行，控制氫燃料電池附件工作來保障氫燃料電池電堆在最佳的工作點進(jìn)行工作[13]。
氫燃料電池電控系統(tǒng)包括氫燃料電池控制器（FCU）、空壓機(jī)控制器、單體電壓巡檢系統(tǒng)（CVM）、水泵控制器、DCDC升壓控制等。控制系統(tǒng)如果按模塊可劃分為：氫氣供給系統(tǒng)的控制、空氣供給子系統(tǒng)的控制、水、熱管理系統(tǒng)的控制等。如果按運行程序劃分，又可分為：工作模式（CRM和CDR）策略；狀態(tài)及遷移策略；氫燃料電池單體電壓巡檢處理策略；陽極氫氣吹掃（Purge）過程控制策略；水、熱管理控制策略；陽極氫氣循環(huán)回路控制策略；陰極空氣供給控制策略冷啟動過程控制策略；防凍（Freeze）處理策略；泄露檢查（Leak Check）策略；報警(Alarm)和故障(Fault)判定和處理規(guī)則。電控系統(tǒng)終極目標(biāo)是發(fā)揮輔助系統(tǒng)的綜合作用，保障氫燃料電池電堆的高效運行，實現(xiàn)能量的最優(yōu)利用[14]。
目前國際上在系統(tǒng)控制技術(shù)上領(lǐng)先的是日本豐田公司。國內(nèi)具有較成熟的氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)經(jīng)驗，同時具備控制系統(tǒng)的技術(shù)和開發(fā)能力的企業(yè)有重塑科技、愛德曼、江蘇清能、明天氫能等。
保障氫燃料電池耐久性的控制技術(shù)在未來一段時間內(nèi)將發(fā)揮越來越重要的作用。氫燃料電池系統(tǒng)的耐久性很大程度上取決于對氫燃料電池的控制，通過大數(shù)據(jù)分析，動態(tài)工況的變載策略、長時間怠速工作模式、頻繁的啟動和停機(jī)都會縮短氫燃料電池的壽命。因此，電控技術(shù)將成為氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)最核心的技術(shù)之一[15]。
通過以上對氫燃料電池系統(tǒng)零部件選型匹配和分析研究，經(jīng)過方案分析和對比，建議應(yīng)用加拿大Bal?lard進(jìn)口電堆或國產(chǎn)電堆，通過自主匹配集成零部件進(jìn)行氫燃料電池發(fā)動機(jī)的開發(fā)工作。
氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成開發(fā)從構(gòu)型設(shè)計、電堆和零部件匹配、整車工程化應(yīng)用3個維度，研究氫氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的集成設(shè)計（水、熱管理系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)）和多目標(biāo)（功率、重量、密封、壽命、成本）匹配開發(fā)技術(shù)。
其中，氫氣供給子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖5所示。
圖5 氫燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣供給子系統(tǒng)
空氣供給子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖6所示。
圖6 氫燃料電池發(fā)動機(jī)空氣供給子系統(tǒng)
水熱管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖7所示。
圖7 氫燃料電池發(fā)動機(jī)水熱管理子系統(tǒng)
水、熱管理子系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)原理如圖8所示。
通過以上針對子系統(tǒng)的框架設(shè)計，將各個子系統(tǒng)進(jìn)行合并集成，組成一臺完整的氫燃料電池發(fā)動機(jī)。
集成開發(fā)氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)所匹配的零部件需滿足氫燃料電池發(fā)動機(jī)的功率需求，包括陰陽極流量、陰陽極壓力、溫度、濕度（表3）。
圖8 氫燃料電池電控子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理
表3 氫燃料電池發(fā)動機(jī)運行參數(shù)
氫消耗隨電流增加而增加，并且取決于電池堆中的單體數(shù)量。實際流速要求是氫消耗乘以過量系數(shù)?？梢允褂靡韵鹿接嬎銡湎牧俊?/p>
式中，F(xiàn)H2為氫氣消耗量；I為電堆電流；N為電堆單體的數(shù)量。
在具有燃料(氫氣)再循環(huán)的系統(tǒng)中，消耗量將略高于1.0化學(xué)計量，因為吹掃需要1%～2%的(氫氣)流量。
氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成開發(fā)需滿足氫燃料電池客車工況運行過程中受到的系統(tǒng)內(nèi)部零部件震動作用和由車身傳遞的外部震動沖擊作用，同時系統(tǒng)集成設(shè)計還受到整車安全性、舒適性和耐久性的約束條件，因此需要滿足下列性能要求。
（1）承載能力要求：在急轉(zhuǎn)彎、低速碰撞、路面沖擊、急加速各種車輛運行工況下能夠承受相應(yīng)的加速度，無失效發(fā)生。
（2）剛度要求：在靜態(tài)工況及動態(tài)工況下應(yīng)有足夠的剛度，用來滿足氫燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定和懸置系統(tǒng)的隔振要求。
（3）模態(tài)要求：固有頻率營避開空壓機(jī)、電機(jī)、空調(diào)壓縮機(jī)和水泵的主要工作頻率，避免結(jié)構(gòu)共振，以滿足整車NVH性能要求。
（4）耐久性要求：滿足整車全生命周期的疲勞耐久性要求。
科學(xué)的對氫燃料電池進(jìn)行測評可以快速的評價氫燃料電池系統(tǒng)的綜合性能指標(biāo)，這在氫燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期進(jìn)行有效的測評是非常有必要的，整理相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)如表4所示。
表4 氫燃料電池相關(guān)國家標(biāo)準(zhǔn)
除了國標(biāo)要求的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)外，還會在以下所列項目中進(jìn)行重點關(guān)注，包括：
（1）面對更加復(fù)雜的氫燃料電池冷卻系統(tǒng)，如何保證其嚴(yán)格的溫度控制要求；
（2）面對更加復(fù)雜的氫燃料電池電氣結(jié)構(gòu)，其能量消耗量如何進(jìn)行計算，如何計算電堆輸出功率能量流向的分析，如圖9所示。
圖9 整車能量流向示意
試驗中測量參數(shù)包括：動力電池電壓和電流、氫燃料電池電堆輸出電壓和電流、加注氫氣質(zhì)量、從電網(wǎng)獲得的電能、工況下運行里程、對每個運行工況計算電池的輸出功率和電堆的輸出功率（通過積分計算獲得），從而計算出氫氣消耗率和電能消耗率。
氫燃料電池系統(tǒng)開發(fā)過程中，需要全面考慮其綜合性能指標(biāo)，包括動力性、經(jīng)濟(jì)性、穩(wěn)定性、可靠性、耐久性、瞬態(tài)響應(yīng)、輸出效果、安全性和環(huán)保性等[16]。
為了進(jìn)一步驗證氫燃料電堆等關(guān)鍵零部件的匹配性、可靠性以及整車動力性、經(jīng)濟(jì)性和可靠性，保障產(chǎn)品在批量產(chǎn)業(yè)化后各項性能指標(biāo)的先進(jìn)性，對氫燃料電池客車進(jìn)行10 000 km的試驗驗證，結(jié)合氫資源和車型的運營特征在合適地區(qū)開展相關(guān)試驗工作，詳細(xì)規(guī)劃如表5所示。
表5 整車性能試驗項目
選取了聊城30臺批量訂單進(jìn)行了小批量試運行驗證，并跟蹤了30 000 km的運行狀態(tài)（圖10、圖11），結(jié)果表明，按照本文所述研究內(nèi)容進(jìn)行氫燃料電池發(fā)動機(jī)集成，具有較好的可靠性和耐久性指標(biāo)。
圖10 氫燃料電池客車耐久性實際道路測試
本文論述了研發(fā)氫燃料電池客車用質(zhì)子交換膜氫燃料電池的意義，進(jìn)而分析了氫燃料電池的集成技術(shù)，包括系統(tǒng)零部件的選型和分析，并探討了氫燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)集成技術(shù)與可靠性、耐久性的影響因素，最后找出相關(guān)測試方案，結(jié)果表明，該集成方案具有較好的可靠性和耐久性技術(shù)指標(biāo)，適合進(jìn)行推廣應(yīng)用。
圖11 氫燃料電池客車運營前后性能測試
未來該項目將重點跟進(jìn)燃料電池的耐久性和可靠性提升，開發(fā)高環(huán)境適應(yīng)性、高耐久性和高可靠性的燃料電池發(fā)動機(jī)及整車產(chǎn)品，并致力于大規(guī)模的產(chǎn)業(yè)化，為全球節(jié)能減排做出積極貢獻(xiàn)。
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