燃料電池汽車性能改善措施研究綜述

燃料電池汽車日益成為新能源汽車發展的重要組成部分。但是，與傳統內燃機汽車相比，仍然有一些不足之處。而且，如果要應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，針對高性能應用的多相轉換器的拓撲研究得到了廣泛的關注。本文對適用于燃料電池電動汽車的三相交錯式升壓轉換器進行了分析和建模。交錯式升壓轉換器（IBC）用于提高輸出電壓以滿足后續應用，例如燃料電池、光伏電池和普通電池。與傳統升壓轉換器相比，交錯式升壓轉換器輸入電流紋波更低，效率更高，瞬態響應更快，電磁發射更少，可靠性更高。多相升壓拓撲結構指的是具有相同相移和開關頻率的多個升壓轉換器的并聯組合。該轉換器組合相當于一個小信號交流的電路模型，需要設計合適的控制器來調節輸出電壓。本文所介紹的DC/DC變換器的拓撲結構及其控制器是通過MATLAB/Simulink軟件進行設計和研究的。所提出的轉換器（IBC）還在實驗室內通過基于DSP1104構建和測試的原型（見圖1）獲得的結果進行了實驗驗證。仿真和實驗結果表明，所提出的轉換器比其他DC/DC轉換器拓撲更高效，從而提高了功率DC/DC轉換器的性能和可靠性。

圖1　燃料電池電動車結構

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升壓轉換器系統的分析和模擬。該系統將是未來乘用車電力系統中使用的雙電壓架構的一部分。另外，DC/DC變換器的實驗結果還表明了所提出的模型用于穩態分析、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，以改變占空比來調節輸出電壓。

2　基于短側鏈全氟磺酸離聚物的MEA的開發[2]

由可再生能源提供的水電解是用于燃料電池車輛生產“綠色”氫氣的最重要的技術。此外，快速遵循間歇負載的能力使得電解成為能源生產和消費供需差異所導致的電網不平衡的理想解決方案。本文提出將新型短側鏈（SSC）全氟磺酸（PFSA）膜用來設計用于聚合物電解質膜（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具有優異的穩定性。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，并觀察到穩定性特征。這些高性能和穩定性特征歸因于新型膜的質子傳導性和穩定性的提高，Ir和Ru氧化物固溶體的優化結構性質以及陽極催化劑表面上Ir物質的富集也有所貢獻。

通過電化學表征和非原位物理化學分析表明，在高電流密度下以及1000小時的耐久性試驗之后，MEA在活化區域中出現損失。在陰極和陽極催化劑層也都觀察到退化現象。這些現象的產生是由于陰極上的納米級鉑催化劑的燒結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型和路易斯酸性特征，降低了吸附氧物質（氧化反應中間體）的能力，并使吸附的水分子解離。本文還發現在中等催化劑載量（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研究[3]

新能源汽車能否最終在全球大眾市場占據一席之地，甚至取代主導車輛（燃油車）取決于幾個重要因素：減少客戶焦慮，快速充電技術，更好的充電基礎設施，環境司法政策完善等。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難關不斷被攻破，但是目前的電力架構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概念（見2），但將其改為氫燃料電池堆棧系統作為里程增程器。旨在探討如何通過包含遺傳算法在內的優化技術來規劃氫消耗。本文的主要目的是強調這種動力總成架構及其經營管理的可能性，以使氫能源成為當今汽車行業可行的能源載體。

圖2　插電式ERFC-EV動力總成構架和模擬模型

目前大多數電池電動汽車的續駛里程都低于200公里。盡管對于大多數日常駕駛來說已經足夠，但相關經驗表明，這種方式并不能滿足所有客戶的期望。另一方面，氫動力汽車續駛能力更高，但由于缺乏可靠的燃料網絡供應系統，目前也無法銷售使用。因此，電動汽車（氫/電）兩種燃料的結合需要新的設計，新的動力總成架構概念將每種技術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動力進行組合，以雙能量系統為基礎進行了分析。不同的能源管理策略的續駛里程和燃料消耗已經通過不同的測試進行了應用研究，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之一的H2O/DME的比例為6時提供了最佳氫產率，而且高于理論比率為3時的空速（SV）值。在300-550攝氏度范圍內下，兩種形狀的催化劑的氫氣產量相似，但在400-450攝氏度時，顆粒狀催化劑能夠觀察到更高的DME轉化率和更低的CH4產量。向催化劑中加入Ni會抑制烴的沉積，而Ce的添加會增加DME的轉化率。最后，發現DME蒸汽轉化的最佳催化劑是Cu10Ce4MOR10/γ-Al2O3。H2產生的最佳反應條件為：SV=340h-1，H2O/DME=6，顆粒型催化劑，催化反應溫度范圍為400-450℃。

圖3　實驗裝備

進一步研究結果總結如下：

1.根據重整催化劑的表征數據，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，得出顆粒形態對DME蒸汽重整反應有利。

5　基于多功率轉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，并且是一種穩定的物質。其原理是通過粉末狀NaBH4水解反應生成氫氣。本文提出并開發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。在該系統中，供應給燃料電池堆的氫的壓力難以控制。該問題可能導致燃料電池堆的固體聚合物電解質膜損壞或發電電量不平衡。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換器控制，推導出相應的仿真模型，采用模型預測控制策略，并應用在由硼氫化鈉推動的原型車輛上進行測試運行。研究結果表明，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樣車動力系統構型

通過進一步實驗，驗證了所提出的模型預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整在安全的壓力范圍內。另外，假定使用以車輛速度和氫氣反應器的反應場溫度為參數的推導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.