氢燃料电池汽车技术的研究

1 前言

随着能源与环境压力的影响，新能源汽车核心技术成为汽车产业可持续发展的关键技术。目前，新能源汽车大致包括混合动力电动汽车（HEV）、纯电动汽车（BEV，包括太阳能汽车）、燃料电池电动汽车（FCEV）、其他新能源（如超级电容器、飞轮等高效储能器）汽车等。其中，氢燃料电池汽车具有零污染、零排放、长续航、无振动、噪声低等优势，成为新能源汽车领域的“终极环保车”。在国内外相关车企及科研人员的努力下，当前国际氢能燃料电池汽车即将渡过技术开发阶段，进入到市场导入阶段。本文针对国际上氢燃料电池技术进行以下总结。

2 氢燃料电池的概述

氢燃料电池实质是一种质子交换膜（PEM）燃料电池，是一种清洁能量转换装置，可以将反应的化学能直接转化为电能，可作为传统车辆内燃机的替代品。氢燃料电池由双极板（BP）、气体扩散层（GDL）、微孔层（MPL）、催化剂层（CL）和聚合物膜组成。

针对氢燃料电池内部质量和传热特性及由此产生的性能的影响因素，文献[1]对组装过程中在双极板上的机械应力展开研究，提出了一个分析模型，以全面研究夹紧力对PEM燃料电池的质量传递、电化学性质和整体电池输出能力的影响。结果表明，适当的夹紧力可以有效防止气体泄漏，还可增加相邻部件之间的接触面积，从而降低接触欧姆电阻。然而，由于变形的产生可能阻碍气体和液态水在GDL层的运输，并减少通道中的横截面流动面积。上述因素的组合效应最终会导致电池性能的波动。因此，通过平衡运输特性与燃料电池中的接触电阻来优化电池性能。通过使用该分析模型，可以快速预测施加在燃料电池上的最优电池设计参数和夹紧力。

此外，针对氢燃料电池的性能优化，文献[2]使用MATLAB/Simulink搭建包含质子交换膜燃料电池和开关磁阻电动机及必要接口和控制元件的整体模型。

针对三个主要目标进行单独或同时优化：

（1）质子交换膜燃料电池堆叠效率;

（2）每安培扭矩比;

（3）转矩平滑因子。

采用6个控制参数，即燃料电池的温度、空气流量、气压、燃料压力及开关磁阻电机的开/闭角，基于蜻蜓算法（Dragonfly Algorithm，DA）进行优化。其中，蜻蜓算法是一种新型群体智能算法，其主要灵感源于蜻蜓的静态和动态集群行为，而这两个集群行为可以等效为优化算法中的搜索与开发。数值结果表明，基于蜻蜓算法的控制策略能够增加质子交换膜燃料电池堆的节能，降低氢消耗。

3 氢燃料电池在汽车上的应用[3]

自2013年以来，通用汽车和本田一直致力于燃料电池的合作。目前，以丰田、本田和现代为代表的汽车制造商已经开始量产燃料电池汽车，以宝马、奔驰、奥迪、戴姆勒等为代表的汽车制造商也纷纷推出了相应的量产技术，其车辆布局大致如图2所示：

图2 氢燃料电池汽车的大致布局[3]

针对氢燃料电池汽车的运行模式，可以简化为以下5种模式：空转/低负载、加速/减速/负载循环、启动-停车、冷冻-解冻循环、来自环境和燃料电池降解产物的污染。

针对加速/减速模式，PEMFC堆栈受需求功率的影响，即取决于环境条件（如道路情况、驾驶员的驾驶行为）。基于负载变化对电池电流、电压的影响，电压的上限取决于膜的选择（厚度/渗透能力），且燃料电池最宽的电压范围应约为0.60-0.95 V。此外，多个汽车驾驶循环（如FUDS循环、US06、NEDC等）可用于确定ICE的里程数。

针对启动-停车模式，如果启动在短暂的停车期间发生，只要燃料电池的阳极中存在残留的氢气，则不会有能量损失。因此，启动和停车之间的时间间隔是控制PEMFC降解率的重要参数。在启动-停车过程中，若想将损失降至最低，缓解方案大致包括：

（1）缩短堆叠以最小化潜在的峰值;

（2）使用高流量的气体通过阳极;

（3）停车后干燥堆叠;

（4）延长残留氢气在阳极的时间等。

4 氢燃料电池与其它能量源的组合应用

在混合动力系统中，电池、超级电容器和燃料电池（FC）均可作为电源。在文献[4]中，将燃料电池混合动力电动汽车（FCHEV）的能源管理系统（EMS）与两个二次储能系统（如电池、超级电容器）相结合，进而得到高性能的储能系统。在可用的电源中，FC产生低直流电压，并通过2个DC/DC转换器转换为恒定电压。其中一个功率转换器将电功率传递到车辆的辅助负载，另一个转换器通过直流总线向牵引电动机供电。电池和超级电容器通过双向转换器连接到DC总线。逆变器将产生于FC、电池、超级电容器的高压直流电转化为高压交流电（AC）。

混合动力系统中，在FC和超级电容器的初始冷态期间，电池作为辅助电源提供瞬态负载条件下的功率，并通过牵引电机进行再生制动能量的回收。混合动力汽车采用FC+B+UC（燃料电池+电池+超级电容）驱动时，超级电容器为瞬态驱动条件提供补充能源。超级电容器通过双向DC/DC转换器并联到DC，此时超级电容器可以提供峰值功率和制动能量，可减少FC堆叠和电池重量，并进一步延长电池寿命。

此外，燃料混合动力汽车还可与锂离子电池相结合，以满足混合动力电动汽车的动力需求[5]。由于在FC对负载需求的突变响应中发生的时间延迟表明了FC堆栈实际上是具有低速动态响应的电源，同时FC堆栈无法存储减速和制动过程中产生的再生功率，因此需要额外的设备，如可充电电池或超级电容。因此，构建FC/锂离子电池混合动力源模型，PEMFC电池组用作主电源，锂离子可充电电池用作辅助能量源。单向DC/DC升压转换器与PEMFC堆栈相连，双向DC/DC升压-降压转换器与锂离子电池相连，三相异步电动机与牵引电机的三相双向PWM DC/AC逆变器相连，通过功率控制单元将DC回路电压调节到特定的恒定值[5]。通过实验证明在额定功率附近，该构型具有96.1%的效率、高精度的DC回路电压调节。FC/锂离子电池混合动力汽车与FCHEV中使用其他动力源的现有技术相比较，在功率效率和速度方面，FC/锂离子电池混合动力汽车展示了更好的性能。

5 总结

目前氢燃料电池汽车已经取得阶段性进步，主要技术进步如下：燃料电池技术成本和耐久性取得一定进展；基于70 MPa储氢技术，续驶里程得到提高；燃料电池寿命满足商用要求；低温环境适应性提高，可适应零下-30℃气候，车辆适用范围达到传统车水平。未来，汽车行业将继续以高品质产品为核心，进一步拓宽环保车型开发蓝图，为汽车的可持续发展继续努力。