氢燃料电池汽车燃料供给系统研究进展

1　燃料类型对燃料电池汽车的影响[1]

本文描述了由燃料电池/插电式混合动力传动系统驱动的中型车辆的能量管理控器设计，构型见图1，其中电池模型使用的是高温聚合物电解质膜燃料电池模型。能量管理策略是使用Pontryagin算法而得到的，其中最佳控制参数的设定是为了满足在某些约束条件下的最小燃料消耗量要求。

图1　燃料电池汽车动力总成构型

车辆还配备有自适应热重整器，为了使氢气缓冲器尺寸最小化，控制算法受限于氢气缓冲器的尺寸大小。本文旨在评估不同燃料下的燃料电池的工作情况，验证不同燃料电池极化曲线下控制策略的有效性。分析了不同碳氢燃料的自适应热重整器在不同驾驶条件下的运行情况。并将所获得结果在氢气消耗、化石燃料消耗、系统效率、经济性和等同的二氧化碳排放方面进行比较。

结果表明由相同的燃料供给动力的条件下，燃料电池汽车与传统车辆相比，燃料电池汽车的燃料成本明显低于传统车辆，但在整车成本方面燃料电池汽车高于传统汽车（这一点通过技术的发展会得到改进）。对于使用不同的燃料的燃料电池汽车而言，在相同的驾驶条件下，其他燃料的经济性与系统效率都是比氢燃料电池汽车差。

2　车载700bar压缩氢气罐[2]

本文分析了车载700bar压缩氢罐系统的前景，以及实现燃料电池汽车的商业化目标所需要克服的挑战。

燃料电池汽车正在进入汽车市场，这对减少有害的温室气体排放具有显著的效果。与传统车辆相比，燃料电池汽车还将促进能源安全、提高车辆效率、延长车辆的续航里程。燃料电池车辆成功商业化的挑战之一是将车载燃料系统从液态汽油转变为压缩氢气，储存高压氢气需要专门的压力容器，在功能、尺寸和结构上与汽油油箱有明显不同。为了使车辆的续驶里程达到300英里，OEM将氢气罐的额定工作压力从500bar调整到700bar（对比见表1）。对于氢气燃料电池汽车而言，氢气罐除了需要保存较大的压力外，由于氢气是以气态存在的，其能量密度还是比传统的汽车差，这就使得储氢罐的体积比油箱的体积大，即使是考虑到燃料电池的高效性，相同续驶里程下，储氢罐的体积是油箱的4倍之多。氢气罐的主要挑战是碳纤维高利用率结构的设计，以便减少压力容器的重量，提高能量密度。为解决这一问题，并降低成本，需要从以下几个方面入手：

（1）使用复合基质树脂替代品，包括添加纳米增强颗粒和纤维基质以提高粘附性

（2）使用碳纤维替代品

（3）保持氢气罐低温，以增加氢气密度，同时增加氢气罐复合材料利用率

3　氢燃料电池增程器汽车[3]

随着排放法规日趋严格，要求在不久的将来实行零排放车辆解决方案。而对于现有的氢燃料电池汽车，价格高昂，续驶里程小和缺乏基础设施（主要是加氢站数量）是限制氢燃料电池汽车发展的几个因素，这也减少了用户对燃料电池汽车的接受程度。插电式混合动力车作为零排放车辆的中间环节，同时采用部分“零排放”运行模式进行批量生产，深受用户欢迎。将内燃机用一个25kW的质子交换膜燃料电池系统取代，就成为了氢燃料电池增程器汽车（图2）。本文介绍了燃料电池增程器和70兆帕储氢系统整车整合的方法。车辆所采用的高压部件（如储氢系统）是新开发的，同时也对整车的热管理进行重新设计。车辆中所采用的双回路冷却剂系统满足了汽车各个部件对散热量的需求，并可以使用电池余热为机舱加热，提高了能量利用率。本文也展示了运营策略对车辆能源和成本效益的影响，并概括了对车辆进行优化的潜力。同时本文介绍自适应能量管理算法及其对燃料利用效率和行驶车辆续驶里程的影响。总体而言，整车对各个系统进行了整合，结合了电池和燃料电池技术的优点，弥补了氢燃料电池增程器车辆加气时间，行驶里程和动态操作性差等缺点。

表1　复合材料氢气瓶比较（700bar和500bar）

4　氢燃料电池电动涡轮压缩机[4]

本文介绍了一种电动涡轮压缩机，以减少清洁燃料电池系统的大小。燃料电池发电所需的氧气来自于由压缩机压缩来的空气，压缩后的空气被送入燃料电池。传统上使用的Lysholm压缩机需要大量的消音器，以便在车辆行驶时保持较好的车辆NVH性能。而使用涡轮压缩机代替Lysholm压缩机将会提高电池的NVH性能，并有助于消除或减小这些辅助吸声器的尺寸。此外，本文还使用了两级增压结构，并且将供应给燃料电池的空气压力增加至先前的空气压力的1.7倍。这增加了燃料电池的功率，使得驱动汽车所用的电池数量减少，并且减少了电池工作时需要的加湿量，从而能够减小加湿器的尺寸。这些利好条件将有助于缩小电池系统的大小。新开发的电动涡轮压缩机系统图如图3所示。

图2　FC REEV动力总成构型

图3　电动涡轮压缩机

使用电动涡轮压缩机工作噪声更小，电动涡轮压缩机与Lysholm压缩机工作时的对比图如图4所示，说明在进气量相同的条件下，电动涡轮压缩机所产生的噪声远小于Lysholm压缩机。

图4　电动涡轮压缩机与Lysholm压缩机NVH对比

另外，对于电动涡轮压缩机的轴承，可以使用干净（无油污染）且能够支持更高速度的空气轴承。同时还开发了一种专用的紧凑型变频器，该变频器尺寸较小可以方便地安装在车辆中，从而有助于减小电机尺寸。

5　模块化现场制氢方案[5]

作为无碳能源载体的氢气、可再生能源（如风能，太阳能或水力发电）是克服人为气候变化的最有利的选择方案。近期，氢燃料电池汽车进入市场取得重大程度的进展。可由于加氢站的数量非常有限，加氢困难，本文介绍了一种模块化，可扩展的且效率较高的模块化氢气供应基础设施概念。氢气供应基础设施的特点是成本低廉而且布置灵活，并且可应用于很多不同的领域，其中最重要的是对氢燃料电池汽车加氢，在燃料电池汽车市场不断增长的过程中，这一点是非常重要的。此设备可采用标准化高压PEM电解模块的模块化系统设计，可实现每天高达数百公斤的氢气产量。高压电解槽在35 MPa下产生氢气，而且无需机械压缩，具有以下优点：较高的系统效率，操作方便，部分负荷特性良好，维护成本低和氢气质量高。可以实现氢燃料电池汽车在35MPa和70MPa的标准填充压力下的加气过程。模块化的另一个主要优势是后续扩展的能力，以便使基础设施适应不断增长的市场需求。同时本文还介绍了三种制氢的实施方案：小型1.5公斤/天的家庭加氢基础设施，工业利用率高达50公斤/天的中型基础设施和超过100公斤的大型基础设施（见图5）。

图5　三种制氢模块化方案

[1]Laura Tribioli,Paolo Iora,Raffaello Cozzolino,et al.Influence of Fuel Type on the Pperformance of a Plug-In Fuel Cell/Battery Hybrid Vehicle with On-Board Fuel Processing.SAE Technical Paper 2017-24-0174.

[2]Kenneth Johnson,Michael J.Veenstra,David Gotthold,et al.Advancements and Opportunities for On-Board 700 Bar Compressed Hydrogen Tanks in the Progression Towards the Commercialization ofFuelCellVehicles. SAE Technical Paper.DOI:10.4271/2017-01-1183.

[3]Patrick Salman,Eva Wallnöfer-Ogris,Markus Sartory,et al.Hydrogen-Powered Fuel Cell Range Extender Vehicle–Long Driving Range with Zero-Emissions.SAE Technical Paper 2017-01-1185.

[4]Sugawara,T.,Kanazawa,T.,Imai,N.,and Tachibana,Y.,"Development of Motorized Turbo Compressor for Clarity Fuel Cell,"SAE Technical Paper 2017-01-1187,2017.

[5]Sartory,M.,Justl,M.,Salman,P.,Trattner,A.et al.Modular Concept of a Cost-Effective and Efficient On-Site Hydrogen Production Solution.SAE Technical Paper 2017-01-1287,2017.