客车用氢燃料电池发动机集成开发技术研究
作者：梁满志 囤金军丨中通客车控股股份有限公司
1 前言
根据氢燃料电池特性，质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）是电动汽车的理想动力源，它将氢气和氧气通过电化学反应直接转化为电能[1]，其过程不涉及燃烧，能量转化率高，产物仅为电、热和水，运行平稳，噪音低，被称为“终极环保发动机”。
氢燃料电池是实现氢能源产业化的核心环节，氢燃料电池汽车是我国新能源汽车战略的重要组成部分，也是氢燃料电池技术推广应用的重要领域。发达国家纷纷将其列入未来汽车先进动力的发展方向和国家战略，我国政府与各级地方政府先后出台了一系列政策，规划和引导氢燃料电池技术应用和市场的进一步发展。
在应用前景方面，我国节能与新能源汽车产业规划提出：至2020年氢燃料电池汽车应用规模超过2万辆，2025年达到10万辆，2030年达到100万辆。据《中国氢能源及燃料电池产业白皮书》统计，全国22个地区有60多项氢能开发政策。预计到2050年，氢能将至少占领10%在中国终端能源系统，其中氢燃料电池商用车到2050年将达到160万辆，市场份额将接近37%[2]，氢燃料电池乘用车到2050年市场份额将超过14%。这一系列的预测表明，氢燃料电池汽车的应用前景十分广阔。
氢燃料电池客车将成为真正意义上的高效、清洁汽车，这是减少碳排放、节约化石燃料应用的重要手段，氢燃料电池的应用将有效改善人类生活空气质量，对环境保护及经济的可持续发展有重要意义。
2 客车用氢燃料电池系统集成技术
2.1 氢燃料电池原理
作为能量转换装置的氢燃料电池根据电化学原理将储存在氢气和氧气中的化学能直接转化为电能。因此，其实际过程是氧化还原反应。氢燃料电池主要由4部分组成，即阴极、阳极、外部负载和电解质。氢气和氧气分别通过氢燃料电池的阳极流道和阴极流道进入电池内部，经过气体扩散后到达电极催化层。氢气在阳极上失去电子，电子通过外部负载流到阴极与氧气结合生成离子[3]，其原理如图1所示。
图1 PEMFC氢燃料电池原理
其中阳极反应方程式为：
阴极反应方程式为：
总反应方程式为：
2.2 氢氢燃料电池发动机系统组成
氢燃料电池系统由电堆、空气供给系统、氢气供给系统、水热管理系统、电控系统组成，如图2所示。
图2 氢燃料电池发动机系统组成
氢燃料电池的集成设计目标是将氢燃料电池零部件按照工作原理及设计要求，布置在氢燃料电池电堆周边合理的位置，通过支架、硅胶管和壳体机械结构将各个子系统零部件合理的连接起来，组成一个刚性整体，最终完成氢燃料电池发动机的集成。
2.3 氢燃料电池系统零部件选型匹配
2.3.1 电堆的选型研究
分析国内商用车用氢燃料电池系统现状，基本可概括为3大技术路线，即分别以巴拉德电堆、氢能电堆、国产电堆为核心进行扩展研发，下面分别介绍一下以3种电堆为基础进行研发的优缺点。
加拿大Ballard在质子交换膜、氢燃料电池开发和商业化领域均处于国际先进水平，尤其在国内与多家公司进行合作，并且从北京奥运会到上海世博会，处处能看到加拿大Ballard的身影（图3）。国内多家氢燃料电池系统厂家有应用案例，如重塑、氢雄等。
图3 加拿大Ballard电堆[4]
加拿大Hydrogenics在其电堆（图4）和端板上已经集成了氢气循环装置、加湿装置、比例阀、单体电压采集装置、电堆控制器、氢气容、电磁阀、传感器部件，其中电堆控制器包含压缩机的控制电路、氢气循环泵的控制电路、一些模拟量的输入、控制信号的输出（包括流量传感器、温度、压力的采集和电磁阀的控制信号）。电堆控制器将电堆正常运行所需的参数及控制部件集中控制，保证电堆以最佳的条件工作。因此，采用Hydrogenics的电堆对于集成来说会相对容易很多，并且也会保证电堆的性能和可靠性，但由于其控制包含空压机、氢气循环泵等附件，其电堆本体也包含一部分附件，对于自主选择零部件受到一定的限制，后期的成本控制也会受到很大的限制。
图4 加拿大Hydrogenics电堆[5]
新源动力、国鸿、神力、弗尔赛、氢璞创能等作为国内有竞争力电堆生产厂家，均已开发自主专利的知识产权技术，包括氢燃料电池核心部件、核心材料以及发动机所需的零部件，技术水平处于国内领先地位，一些核心材料技术处于国际领先水平。氢燃料电池及零部件的中小规模的生产测试加工线设备已完善，能够实现规模化的生产制造。
2.3.2 供氢系统选型研究
氢气循环泵技术国外厂商遥遥领先，美国Park公司开发的氢气循环泵可用于不同的氢燃料电池汽车，美国Argonne国家实验室，开发了氢气引射装置以及与氢循环泵混合循环系统[6]，各大汽车公司也开发相应的氢气循环装置，并用于氢燃料电池发动机。国内在此关键部件上以国外订单采购为主，技术仍处于研发阶段，雪人股份日前宣布已自主研发出新型氢气循环泵，德燃动力自主研发的供氢-回氢总成目前已满足各工况范围内氢循环要求。
国内的车载供氢系统更偏向于系统集成的技术，储氢罐阀门、压缩器、传感器部件和设备是以外国采购为主，而这些零部件技术的落后一定程度上制约上了我国氢燃料电池汽车供氢系统的发展。国产化是市场最紧迫的需求，国内企业未来需要在研发零部件方面进行不懈努力，以大幅降低成本。
2.3.3 空气系统选型研究
氧气供应系统提供反应所需的氧，可以是纯氧，也可以用空气。氧气供给系统可以用马达驱动的鼓风机或者空气压缩机，也可以用回收排出余气的透平机或压缩机的加压装置。
典型的氢燃料电池空气供气系统主要由化学空滤器、空压机、加湿器和连接管道组成。其中，空压机是空气侧供气系统的重要部件。增加氢燃料电池发动机的效率和功率密度需要通过对氢燃料电池电堆入口空气进行增压，进而增加系统的体积功率密度。然而，空压机功耗非常大，大概占氢燃料电池辅助系统能耗的80%，其效能直接影响发动机系统电堆内部的水含量，并且会影响系统的紧凑性和效率[7]。因此，空压机的选型占据尤为突出的位置，在此分析了氢燃料电池空压机选型所需的技术条件，如表1所示。
表1 氢燃料电池空压机的技术要求与评价
空压机的种类很多，按工作原理可分为3大类：
（1）容积型：活塞式空压机、螺杆式空压机、涡旋式空压机；
（2）速度型：离心式压缩机、鼓风机；
（3）电磁型：电磁式空压机、热力型压缩机（如喷射器）。
本文整理的空压机类型、优缺点和国内外生产企业和机构见表2。
表2 空压机类型及优缺点比较
当前用于氢燃料电池的空压机有容积型和高速型2种，电磁类仍未完全进入市场。基于国内外的研究和发展，离心机将会占据越来越重要的位置。大量研究表明，氢燃料电池对空气系统的要求越来越高，未来发展可能会偏向于离心机和涡轮机[8]。
氢燃料电池空气系统的另一个关键部件是增湿器，因为氢燃料电池的质子交换膜需要含有足够的水才能促进氢质子的传输，因此需要增湿器将进入电堆的空气进行增湿，保障质子交换膜的湿润性[9]。通过提高质子交换膜的电导率、降低膜电阻来提高相当湿度，从而提高质子交换膜氢燃料电池（PEMFC）的性能输出。但相对湿度也不是越高越好，当相对湿度高于100%时，意味着气体中已有液态水的存在，如果这些液态水无法有效排走，那么容易导致水淹。
目前应用于PEMFC系统的空气加湿通常是内部加湿和外部加湿。内部加湿是通过改变电堆两侧端板的结构可以实现电堆的内增湿；外部加湿是指在反应气体进入到电池反应前，通过电池外部附加装置实现对燃料气体增湿的技术。
国外已有多厂家开发出加湿器，并形成产品，能够满足备用电源到氢燃料电池公交车用的加湿需要。如美国博纯Perma-Pure生产的管式加湿器、加拿大Dipont的板式加湿器、德国Mann-Hummel的板式/管式加湿器和德国Freudenberg FCCT的管式加湿器等。国内以采购国外加湿器产品为主，鲜有能自主生产加湿器的企业，目前国内研究机构还处在基础研究阶段。
对于车载PEMFC系统来说，外部加湿因其増湿量大且稳定、易于操作的特点成为目前最常用的加湿方式。增湿器导致氢燃料电池系统复杂且效率低下，还会造成系统的体积密度和功率密度双降，同时会造成利润率降低，对氢燃料电池的商业化发展是个阻碍。这种背景下，小型化或取消增湿器转而进行自増湿的研究和开发将成为发展趋势。丰田等企业采用先进系统设计，已经取消了加湿器，有效提高了低温冷启动性能。
2.3.4 水、热管理系统选型研究
PEMFC实际工作时，热能积累使电池内部逐渐升温，有利于提高电化学反应速度和质子在电解质膜内的传递速度，并且反应产物水也能随着过量反应气体及时排出。但温度过高会使质子交换膜脱水，导致电性能变差，温度过高还会造成质子交换膜因高温而被烧灼出大的孔洞，会造成氢气向空气侧泄露，因此，维持电堆内部温度在70℃～80℃之间是非常合理的。
合理的吹扫以及过量的空气可以及时排出电堆阴极侧的水分，避免造成水淹[10]。通过加湿的方法又可以维持PEM膜在最佳的水合状态，以获得较高的传导性和良好的运行特性。
热管理系统通过循环水将电堆内部的温度降低，保障质子交换膜不会因为高温而灼伤出微孔[11]。热管理系统中还包括水泵、节温器、散热风扇、流量计、阀门部件。常用的传热介质是去离子水或特殊的防冻液。
丰田Mirai氢燃料电池汽车的核心突破技术之一是将水热管理做到极致，取消外部加湿器。通过将膜做薄（0.01 mm）有利于电池阴阳极之间的水传递；将热管理控制器放置在空气入口处降低温度使膜不容易变干；采用空气和氢气逆流的方式将反应生成的水带回反应中，从而实现了自增湿的作用。此举大大简化系统的复杂度，降低成本，又很好地维护电堆内部的水热平衡。
氢燃料电池水、热平衡紧密相连，并且对其性能、耐久性和安全性有着至关重要的作用。因此，保持水、热最佳的平衡需要精确的对空气和氢气以及水的流速和流量进行控制[12]。
2.3.5 电控系统研究
氢燃料电池电控系统主要由FCU（氢燃料电池控制器）对各种输入信号进行判断计算，并由执行机构如空压机、水泵等部件进行动作执行，控制氢燃料电池附件工作来保障氢燃料电池电堆在最佳的工作点进行工作[13]。
氢燃料电池电控系统包括氢燃料电池控制器（FCU）、空压机控制器、单体电压巡检系统（CVM）、水泵控制器、DCDC升压控制等。控制系统如果按模块可划分为：氢气供给系统的控制、空气供给子系统的控制、水、热管理系统的控制等。如果按运行程序划分，又可分为：工作模式（CRM和CDR）策略；状态及迁移策略；氢燃料电池单体电压巡检处理策略；阳极氢气吹扫（Purge）过程控制策略；水、热管理控制策略；阳极氢气循环回路控制策略；阴极空气供给控制策略冷启动过程控制策略；防冻（Freeze）处理策略；泄露检查（Leak Check）策略；报警(Alarm)和故障(Fault)判定和处理规则。电控系统终极目标是发挥辅助系统的综合作用，保障氢燃料电池电堆的高效运行，实现能量的最优利用[14]。
目前国际上在系统控制技术上领先的是日本丰田公司。国内具有较成熟的氢燃料电池系统开发经验，同时具备控制系统的技术和开发能力的企业有重塑科技、爱德曼、江苏清能、明天氢能等。
保障氢燃料电池耐久性的控制技术在未来一段时间内将发挥越来越重要的作用。氢燃料电池系统的耐久性很大程度上取决于对氢燃料电池的控制，通过大数据分析，动态工况的变载策略、长时间怠速工作模式、频繁的启动和停机都会缩短氢燃料电池的寿命。因此，电控技术将成为氢燃料电池系统开发最核心的技术之一[15]。
2.4 氢燃料电池系统框架设计
通过以上对氢燃料电池系统零部件选型匹配和分析研究，经过方案分析和对比，建议应用加拿大Bal⁃lard进口电堆或国产电堆，通过自主匹配集成零部件进行氢燃料电池发动机的开发工作。
氢燃料电池发动机系统集成开发从构型设计、电堆和零部件匹配、整车工程化应用3个维度，研究氢氢燃料电池发动机系统的集成设计（水、热管理系统、供氢系统、空气供给系统）和多目标（功率、重量、密封、寿命、成本）匹配开发技术。
其中，氢气供给子系统的结构原理如图5所示。
图5 氢燃料电池发动机氢气供给子系统
空气供给子系统的结构原理如图6所示。
图6 氢燃料电池发动机空气供给子系统
水热管理子系统的结构原理如图7所示。
图7 氢燃料电池发动机水热管理子系统
水、热管理子系统的结构原理如图8所示。
2.5 氢燃料电池系统集成设计
通过以上针对子系统的框架设计，将各个子系统进行合并集成，组成一台完整的氢燃料电池发动机。
集成开发氢燃料电池发动机系统所匹配的零部件需满足氢燃料电池发动机的功率需求，包括阴阳极流量、阴阳极压力、温度、湿度（表3）。
图8 氢燃料电池电控子系统结构原理
表3 氢燃料电池发动机运行参数
氢消耗随电流增加而增加，并且取决于电池堆中的单体数量。实际流速要求是氢消耗乘以过量系数。可以使用以下公式计算氢消耗量。
式中，FH2为氢气消耗量；I为电堆电流；N为电堆单体的数量。
在具有燃料(氢气)再循环的系统中，消耗量将略高于1.0化学计量，因为吹扫需要1%～2%的(氢气)流量。
氢燃料电池发动机系统集成开发需满足氢燃料电池客车工况运行过程中受到的系统内部零部件震动作用和由车身传递的外部震动冲击作用，同时系统集成设计还受到整车安全性、舒适性和耐久性的约束条件，因此需要满足下列性能要求。
（1）承载能力要求：在急转弯、低速碰撞、路面冲击、急加速各种车辆运行工况下能够承受相应的加速度，无失效发生。
（2）刚度要求：在静态工况及动态工况下应有足够的刚度，用来满足氢燃料电池系统结构稳定和悬置系统的隔振要求。
（3）模态要求：固有频率营避开空压机、电机、空调压缩机和水泵的主要工作频率，避免结构共振，以满足整车NVH性能要求。
（4）耐久性要求：满足整车全生命周期的疲劳耐久性要求。
3 氢燃料电池发动机及整车测试
3.1 氢燃料电池发动机系统测试
科学的对氢燃料电池进行测评可以快速的评价氢燃料电池系统的综合性能指标，这在氢燃料电池汽车产业发展初期进行有效的测评是非常有必要的，整理相关标准如表4所示。
表4 氢燃料电池相关国家标准
除了国标要求的相关标准外，还会在以下所列项目中进行重点关注，包括：
（1）面对更加复杂的氢燃料电池冷却系统，如何保证其严格的温度控制要求；
（2）面对更加复杂的氢燃料电池电气结构，其能量消耗量如何进行计算，如何计算电堆输出功率能量流向的分析，如图9所示。
图9 整车能量流向示意
试验中测量参数包括：动力电池电压和电流、氢燃料电池电堆输出电压和电流、加注氢气质量、从电网获得的电能、工况下运行里程、对每个运行工况计算电池的输出功率和电堆的输出功率（通过积分计算获得），从而计算出氢气消耗率和电能消耗率。
氢燃料电池系统开发过程中，需要全面考虑其综合性能指标，包括动力性、经济性、稳定性、可靠性、耐久性、瞬态响应、输出效果、安全性和环保性等[16]。
3.2 氢燃料电池客车实际道路耐久性测试
为了进一步验证氢燃料电堆等关键零部件的匹配性、可靠性以及整车动力性、经济性和可靠性，保障产品在批量产业化后各项性能指标的先进性，对氢燃料电池客车进行10 000 km的试验验证，结合氢资源和车型的运营特征在合适地区开展相关试验工作，详细规划如表5所示。
表5 整车性能试验项目
选取了聊城30台批量订单进行了小批量试运行验证，并跟踪了30 000 km的运行状态（图10、图11），结果表明，按照本文所述研究内容进行氢燃料电池发动机集成，具有较好的可靠性和耐久性指标。
图10 氢燃料电池客车耐久性实际道路测试
4 结论
本文论述了研发氢燃料电池客车用质子交换膜氢燃料电池的意义，进而分析了氢燃料电池的集成技术，包括系统零部件的选型和分析，并探讨了氢燃料电池发动机系统集成技术与可靠性、耐久性的影响因素，最后找出相关测试方案，结果表明，该集成方案具有较好的可靠性和耐久性技术指标，适合进行推广应用。
图11 氢燃料电池客车运营前后性能测试
未来该项目将重点跟进燃料电池的耐久性和可靠性提升，开发高环境适应性、高耐久性和高可靠性的燃料电池发动机及整车产品，并致力于大规模的产业化，为全球节能减排做出积极贡献。
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