氫燃料電池汽車燃料供給系統(tǒng)研究進展

1　燃料類型對燃料電池汽車的影響[1]

本文描述了由燃料電池/插電式混合動力傳動系統(tǒng)驅動的中型車輛的能量管理控器設計，構型見圖1，其中電池模型使用的是高溫聚合物電解質(zhì)膜燃料電池模型。能量管理策略是使用Pontryagin算法而得到的，其中最佳控制參數(shù)的設定是為了滿足在某些約束條件下的最小燃料消耗量要求。

圖1　燃料電池汽車動力總成構型

車輛還配備有自適應熱重整器，為了使氫氣緩沖器尺寸最小化，控制算法受限于氫氣緩沖器的尺寸大小。本文旨在評估不同燃料下的燃料電池的工作情況，驗證不同燃料電池極化曲線下控制策略的有效性。分析了不同碳氫燃料的自適應熱重整器在不同駕駛條件下的運行情況。并將所獲得結果在氫氣消耗、化石燃料消耗、系統(tǒng)效率、經(jīng)濟性和等同的二氧化碳排放方面進行比較。

結果表明由相同的燃料供給動力的條件下，燃料電池汽車與傳統(tǒng)車輛相比，燃料電池汽車的燃料成本明顯低于傳統(tǒng)車輛，但在整車成本方面燃料電池汽車高于傳統(tǒng)汽車（這一點通過技術的發(fā)展會得到改進）。對于使用不同的燃料的燃料電池汽車而言，在相同的駕駛條件下，其他燃料的經(jīng)濟性與系統(tǒng)效率都是比氫燃料電池汽車差。

2　車載700bar壓縮氫氣罐[2]

本文分析了車載700bar壓縮氫罐系統(tǒng)的前景，以及實現(xiàn)燃料電池汽車的商業(yè)化目標所需要克服的挑戰(zhàn)。

燃料電池汽車正在進入汽車市場，這對減少有害的溫室氣體排放具有顯著的效果。與傳統(tǒng)車輛相比，燃料電池汽車還將促進能源安全、提高車輛效率、延長車輛的續(xù)航里程。燃料電池車輛成功商業(yè)化的挑戰(zhàn)之一是將車載燃料系統(tǒng)從液態(tài)汽油轉變?yōu)閴嚎s氫氣，儲存高壓氫氣需要專門的壓力容器，在功能、尺寸和結構上與汽油油箱有明顯不同。為了使車輛的續(xù)駛里程達到300英里，OEM將氫氣罐的額定工作壓力從500bar調(diào)整到700bar（對比見表1）。對于氫氣燃料電池汽車而言，氫氣罐除了需要保存較大的壓力外，由于氫氣是以氣態(tài)存在的，其能量密度還是比傳統(tǒng)的汽車差，這就使得儲氫罐的體積比油箱的體積大，即使是考慮到燃料電池的高效性，相同續(xù)駛里程下，儲氫罐的體積是油箱的4倍之多。氫氣罐的主要挑戰(zhàn)是碳纖維高利用率結構的設計，以便減少壓力容器的重量，提高能量密度。為解決這一問題，并降低成本，需要從以下幾個方面入手：

（1）使用復合基質(zhì)樹脂替代品，包括添加納米增強顆粒和纖維基質(zhì)以提高粘附性

（2）使用碳纖維替代品

（3）保持氫氣罐低溫，以增加氫氣密度，同時增加氫氣罐復合材料利用率

3　氫燃料電池增程器汽車[3]

隨著排放法規(guī)日趨嚴格，要求在不久的將來實行零排放車輛解決方案。而對于現(xiàn)有的氫燃料電池汽車，價格高昂，續(xù)駛里程小和缺乏基礎設施（主要是加氫站數(shù)量）是限制氫燃料電池汽車發(fā)展的幾個因素，這也減少了用戶對燃料電池汽車的接受程度。插電式混合動力車作為零排放車輛的中間環(huán)節(jié)，同時采用部分“零排放”運行模式進行批量生產(chǎn)，深受用戶歡迎。將內(nèi)燃機用一個25kW的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)取代，就成為了氫燃料電池增程器汽車（圖2）。本文介紹了燃料電池增程器和70兆帕儲氫系統(tǒng)整車整合的方法。車輛所采用的高壓部件（如儲氫系統(tǒng)）是新開發(fā)的，同時也對整車的熱管理進行重新設計。車輛中所采用的雙回路冷卻劑系統(tǒng)滿足了汽車各個部件對散熱量的需求，并可以使用電池余熱為機艙加熱，提高了能量利用率。本文也展示了運營策略對車輛能源和成本效益的影響，并概括了對車輛進行優(yōu)化的潛力。同時本文介紹自適應能量管理算法及其對燃料利用效率和行駛車輛續(xù)駛里程的影響?？傮w而言，整車對各個系統(tǒng)進行了整合，結合了電池和燃料電池技術的優(yōu)點，彌補了氫燃料電池增程器車輛加氣時間，行駛里程和動態(tài)操作性差等缺點。

表1　復合材料氫氣瓶比較（700bar和500bar）

4　氫燃料電池電動渦輪壓縮機[4]

本文介紹了一種電動渦輪壓縮機，以減少清潔燃料電池系統(tǒng)的大小。燃料電池發(fā)電所需的氧氣來自于由壓縮機壓縮來的空氣，壓縮后的空氣被送入燃料電池。傳統(tǒng)上使用的Lysholm壓縮機需要大量的消音器，以便在車輛行駛時保持較好的車輛NVH性能。而使用渦輪壓縮機代替Lysholm壓縮機將會提高電池的NVH性能，并有助于消除或減小這些輔助吸聲器的尺寸。此外，本文還使用了兩級增壓結構，并且將供應給燃料電池的空氣壓力增加至先前的空氣壓力的1.7倍。這增加了燃料電池的功率，使得驅動汽車所用的電池數(shù)量減少，并且減少了電池工作時需要的加濕量，從而能夠減小加濕器的尺寸。這些利好條件將有助于縮小電池系統(tǒng)的大小。新開發(fā)的電動渦輪壓縮機系統(tǒng)圖如圖3所示。

圖2　FC REEV動力總成構型

圖3　電動渦輪壓縮機

使用電動渦輪壓縮機工作噪聲更小，電動渦輪壓縮機與Lysholm壓縮機工作時的對比圖如圖4所示，說明在進氣量相同的條件下，電動渦輪壓縮機所產(chǎn)生的噪聲遠小于Lysholm壓縮機。

圖4　電動渦輪壓縮機與Lysholm壓縮機NVH對比

另外，對于電動渦輪壓縮機的軸承，可以使用干凈（無油污染）且能夠支持更高速度的空氣軸承。同時還開發(fā)了一種專用的緊湊型變頻器，該變頻器尺寸較小可以方便地安裝在車輛中，從而有助于減小電機尺寸。

5　模塊化現(xiàn)場制氫方案[5]

作為無碳能源載體的氫氣、可再生能源（如風能，太陽能或水力發(fā)電）是克服人為氣候變化的最有利的選擇方案。近期，氫燃料電池汽車進入市場取得重大程度的進展?？捎捎诩託湔镜臄?shù)量非常有限，加氫困難，本文介紹了一種模塊化，可擴展的且效率較高的模塊化氫氣供應基礎設施概念。氫氣供應基礎設施的特點是成本低廉而且布置靈活，并且可應用于很多不同的領域，其中最重要的是對氫燃料電池汽車加氫，在燃料電池汽車市場不斷增長的過程中，這一點是非常重要的。此設備可采用標準化高壓PEM電解模塊的模塊化系統(tǒng)設計，可實現(xiàn)每天高達數(shù)百公斤的氫氣產(chǎn)量。高壓電解槽在35 MPa下產(chǎn)生氫氣，而且無需機械壓縮，具有以下優(yōu)點：較高的系統(tǒng)效率，操作方便，部分負荷特性良好，維護成本低和氫氣質(zhì)量高?？梢詫崿F(xiàn)氫燃料電池汽車在35MPa和70MPa的標準填充壓力下的加氣過程。模塊化的另一個主要優(yōu)勢是后續(xù)擴展的能力，以便使基礎設施適應不斷增長的市場需求。同時本文還介紹了三種制氫的實施方案：小型1.5公斤/天的家庭加氫基礎設施，工業(yè)利用率高達50公斤/天的中型基礎設施和超過100公斤的大型基礎設施（見圖5）。

圖5　三種制氫模塊化方案

[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 Walln?fer-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.