燃料電池汽車日益成為新能源汽車發(fā)展的重要組成部分。但是，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機汽車相比，仍然有一些不足之處。而且，如果要應(yīng)用于全球市場還需要對其性能進行進一步研究和改善。下面介紹了幾種對燃料電池汽車性能改善的措施。

1　燃料電池電動汽車交錯式升壓DC-DC變換器的研究[1]

最近，針對高性能應(yīng)用的多相轉(zhuǎn)換器的拓撲研究得到了廣泛的關(guān)注。本文對適用于燃料電池電動汽車的三相交錯式升壓轉(zhuǎn)換器進行了分析和建模。交錯式升壓轉(zhuǎn)換器（IBC）用于提高輸出電壓以滿足后續(xù)應(yīng)用，例如燃料電池、光伏電池和普通電池。與傳統(tǒng)升壓轉(zhuǎn)換器相比，交錯式升壓轉(zhuǎn)換器輸入電流紋波更低，效率更高，瞬態(tài)響應(yīng)更快，電磁發(fā)射更少，可靠性更高。多相升壓拓撲結(jié)構(gòu)指的是具有相同相移和開關(guān)頻率的多個升壓轉(zhuǎn)換器的并聯(lián)組合。該轉(zhuǎn)換器組合相當(dāng)于一個小信號交流的電路模型，需要設(shè)計合適的控制器來調(diào)節(jié)輸出電壓。本文所介紹的DC/DC變換器的拓撲結(jié)構(gòu)及其控制器是通過MATLAB/Simulink軟件進行設(shè)計和研究的。所提出的轉(zhuǎn)換器（IBC）還在實驗室內(nèi)通過基于DSP1104構(gòu)建和測試的原型（見圖1）獲得的結(jié)果進行了實驗驗證。仿真和實驗結(jié)果表明，所提出的轉(zhuǎn)換器比其他DC/DC轉(zhuǎn)換器拓撲更高效，從而提高了功率DC/DC轉(zhuǎn)換器的性能和可靠性。

圖1　燃料電池電動車結(jié)構(gòu)

本文明確提出了一種用于燃料電池電動車輛的交錯式三相DC/DC升壓轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)的分析和模擬。該系統(tǒng)將是未來乘用車電力系統(tǒng)中使用的雙電壓架構(gòu)的一部分。另外，DC/DC變換器的實驗結(jié)果還表明了所提出的模型用于穩(wěn)態(tài)分析、小信號分析和派生模型檢驗的可行性。本文還引入PI控制器，以改變占空比來調(diào)節(jié)輸出電壓。

2　基于短側(cè)鏈全氟磺酸離聚物的MEA的開發(fā)[2]

由可再生能源提供的水電解是用于燃料電池車輛生產(chǎn)“綠色”氫氣的最重要的技術(shù)。此外，快速遵循間歇負載的能力使得電解成為能源生產(chǎn)和消費供需差異所導(dǎo)致的電網(wǎng)不平衡的理想解決方案。本文提出將新型短側(cè)鏈（SSC）全氟磺酸（PFSA）膜用來設(shè)計用于聚合物電解質(zhì)膜（PEM）水電解的膜電極組件（MEA），本文還將其裝載各種由貴金屬組成的陰極和陽極上，并在性能和耐久性方面進行了調(diào)查。其主要原理是利用納米級的Ir0.7Ru0.3Ox固溶體陽極催化劑和負載型Pt/C陰極催化劑與全氟磺化酸膜組合。該類MEA具有優(yōu)異的穩(wěn)定性。在低負載情況下，記錄MEA的適度降解速率。在3 A·cm-2的負載下進行耐久性測試，并觀察到穩(wěn)定性特征。這些高性能和穩(wěn)定性特征歸因于新型膜的質(zhì)子傳導(dǎo)性和穩(wěn)定性的提高，Ir和Ru氧化物固溶體的優(yōu)化結(jié)構(gòu)性質(zhì)以及陽極催化劑表面上Ir物質(zhì)的富集也有所貢獻。

通過電化學(xué)表征和非原位物理化學(xué)分析表明，在高電流密度下以及1000小時的耐久性試驗之后，MEA在活化區(qū)域中出現(xiàn)損失。在陰極和陽極催化劑層也都觀察到退化現(xiàn)象。這些現(xiàn)象的產(chǎn)生是由于陰極上的納米級鉑催化劑的燒結(jié)以及在催化劑和離聚物之間的界面處的改性而引起的銥基陽極催化劑的氧化態(tài)的變化。此外，該MEA的陽極催化劑和全氟化離聚物之間的界面的降解改變了表面上的銥和釕位點的電子構(gòu)型和路易斯酸性特征，降低了吸附氧物質(zhì)（氧化反應(yīng)中間體）的能力，并使吸附的水分子解離。本文還發(fā)現(xiàn)在中等催化劑載量（1.6mg·cm-2）中，在較高電流密度下（即，3A·cm-2）的操作僅稍微大于在1A·cm-2時的操作。因此，所提出的MEA可以在非常高的電流密度下進行操作，并且可以降低成本，而不會顯著影響電池組的耐用性。

3　一種氫燃料電池電動汽車增程器的動力總成架構(gòu)研究[3]

新能源汽車能否最終在全球大眾市場占據(jù)一席之地，甚至取代主導(dǎo)車輛（燃油車）取決于幾個重要因素：減少客戶焦慮，快速充電技術(shù)，更好的充電基礎(chǔ)設(shè)施，環(huán)境司法政策完善等。電池電動汽車和氫燃料電池電動汽車在不久的將來可能是一個有希望的選擇。然而，盡管電力和氫氣技術(shù)難關(guān)不斷被攻破，但是目前的電力架構(gòu)都沒有滿足全面引入市場的要求。本文提出了一種基于目前化石燃料增程器范圍的動力總成架構(gòu)概念（見2），但將其改為氫燃料電池堆棧系統(tǒng)作為里程增程器。旨在探討如何通過包含遺傳算法在內(nèi)的優(yōu)化技術(shù)來規(guī)劃氫消耗。本文的主要目的是強調(diào)這種動力總成架構(gòu)及其經(jīng)營管理的可能性，以使氫能源成為當(dāng)今汽車行業(yè)可行的能源載體。

圖2　插電式ERFC-EV動力總成構(gòu)架和模擬模型

目前大多數(shù)電池電動汽車的續(xù)駛里程都低于200公里。盡管對于大多數(shù)日常駕駛來說已經(jīng)足夠，但相關(guān)經(jīng)驗表明，這種方式并不能滿足所有客戶的期望。另一方面，氫動力汽車續(xù)駛能力更高，但由于缺乏可靠的燃料網(wǎng)絡(luò)供應(yīng)系統(tǒng)，目前也無法銷售使用。因此，電動汽車（氫/電）兩種燃料的結(jié)合需要新的設(shè)計，新的動力總成架構(gòu)概念將每種技術(shù)的弱點單獨進行最小化。在這項工作中，基于燃料電池堆的電動汽車與純電動汽車概念耦合的增程系統(tǒng)動力進行組合，以雙能量系統(tǒng)為基礎(chǔ)進行了分析。不同的能源管理策略的續(xù)駛里程和燃料消耗已經(jīng)通過不同的測試進行了應(yīng)用研究，其中就包括通過遺傳算法來最小化氫消耗。因此，使用電力和氫動力汽車作為清潔運輸工具對于客運問題來說，具有高度的影響力和短期的可行性。

4　二甲醚（DME）蒸汽重整制氫催化劑的反應(yīng)特性研究[4]

本文研究的主要目的是在沒有氫氣燃料電池載體的載氣情況下，開發(fā)用于二甲醚（DME）蒸汽重整（SR）的新型催化劑并且找到用于所述方法的最佳反應(yīng)條件。通過用絲光沸石（MOR）和氧化鋁作為載體，用Ce和Ni添加劑浸漬活性物質(zhì)Cu來制備蒸汽重整催化劑。采用掃描電鏡（SEM）、透射電子顯微鏡（TEM）、能量色散X射線（EDX）、X射線衍射（XRD），電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀（ICP-OES）作為實驗裝置(圖3)。催化劑制備成蜂窩狀和顆粒狀。Cu10MOR10/γ-Al2O3顆粒狀催化劑在400攝氏度下的氫收率為80%，高于蜂窩狀催化劑在相同實驗條件下（50%）的氫收率。作為實驗條件中最重要的參數(shù)之一的H2O/DME的比例為6時提供了最佳氫產(chǎn)率，而且高于理論比率為3時的空速（SV）值。在300-550攝氏度范圍內(nèi)下，兩種形狀的催化劑的氫氣產(chǎn)量相似，但在400-450攝氏度時，顆粒狀催化劑能夠觀察到更高的DME轉(zhuǎn)化率和更低的CH4產(chǎn)量。向催化劑中加入Ni會抑制烴的沉積，而Ce的添加會增加DME的轉(zhuǎn)化率。最后，發(fā)現(xiàn)DME蒸汽轉(zhuǎn)化的最佳催化劑是Cu10Ce4MOR10/γ-Al2O3。H2產(chǎn)生的最佳反應(yīng)條件為：SV=340h-1，H2O/DME=6，顆粒型催化劑，催化反應(yīng)溫度范圍為400-450℃。

圖3　實驗裝備

進一步研究結(jié)果總結(jié)如下：

1.根據(jù)重整催化劑的表征數(shù)據(jù)，確定了Cu基DME水蒸氣重整催化劑中Ce和Ni的最佳添加量為＜14wt%。

2.Cu10MOR10/γ-Al2O3催化劑在 H2O/DME 比為 6時，蜂窩狀和顆粒狀催化劑的氫收率最高。

3.在相同的反應(yīng)條件下，Cu10MOR10/γ-Al2O3催化劑的氫收率為50%（蜂窩狀）和75%（顆粒狀）。因此，得出顆粒形態(tài)對DME蒸汽重整反應(yīng)有利。

5　基于多功率轉(zhuǎn)換器控制的硼氫化鈉燃料電池的研究[5]

硼氫化鈉（NaBH4）是燃料電池儲氫應(yīng)用中很有潛力的選擇，因為它具有非常高的能量密度，并且是一種穩(wěn)定的物質(zhì)。其原理是通過粉末狀NaBH4水解反應(yīng)生成氫氣。本文提出并開發(fā)了用于以粉末狀硼氫化鈉（STEPS）為燃料的燃料電池（FC）混合動力電動汽車的氫氣生成系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中，供應(yīng)給燃料電池堆的氫的壓力難以控制。該問題可能導(dǎo)致燃料電池堆的固體聚合物電解質(zhì)膜損壞或發(fā)電電量不平衡。作為解決這個問題的一種方法，本文提出使用由升壓和雙向斬波器組成的多個功率轉(zhuǎn)換器控制，推導(dǎo)出相應(yīng)的仿真模型，采用模型預(yù)測控制策略，并應(yīng)用在由硼氫化鈉推動的原型車輛上進行測試運行。研究結(jié)果表明，所提出的控制方法可以抑制燃料電池堆棧的輸出功率的快速變化，可以提高氫壓力控制的性能。

圖4　FCHEV樣車動力系統(tǒng)構(gòu)型

通過進一步實驗，驗證了所提出的模型預(yù)測控制方法可以抑制加速劣化的頻率分量和燃料電池堆疊中的氫消耗的波動。即使逆變器所需的功率急劇變化，氫氣壓力也能夠被調(diào)整在安全的壓力范圍內(nèi)。另外，假定使用以車輛速度和氫氣反應(yīng)器的反應(yīng)場溫度為參數(shù)的推導(dǎo)模型在實際的駕駛模式上進行仿真試驗研究，驗證了該控制方法可以改善氫氣壓力的控制。

[1]SLAH F,MANSOUR A,HAJER M,et al.Analysis,modeling and implementation of an interleaved boost DC-DC converter for fuel cell used in electric vehicle[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(48):28852-28864.

[2]SIRACUSANO S,BAGLIO V,Van DIJK N,et al.Enhanced performance and durability of low catalyst loading PEM water electrolyser based on a short-side chain perfluorosulfonic ionomer[J].Applied Energy,2017,192:477-489.

[3]áLVAREZ FERNáNDEZ R,CORBERA CARABALLO S,BELTRáN CILLERUELO F,et al.Fuel optimization strategy for hydrogen fuel cell range extender vehicles applying genetic algorithms[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2018,81:655-668.

[4]KIM D,PARK G,CHOI B,et al.Reaction characteristics of dimethyl ether(DME)steam reforming catalysts for hydrogen production[J].International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(49):29210-29221.

[5]TOMODA K,AISAKA Y,FUKUZAWA T,et al.Stabilization Effect on Hydrogen Pressure for Fuel Cell Fueled by Sodium Tetrahydroborate With Multiple Power Converter Control[J].IEEE Transactions on Industry Applications,2017,53(2):1200-1209.