新型燃料電池技術

氫是一種替代燃料，按重量計算，它的能量含量很高。它大量儲存在水、碳氫化合物和其他有機物中。氫可以從多種多樣的資源中產(chǎn)生，包括化石燃料、生物質(zhì)和水電解，以及風能、太陽能或電網(wǎng)電力。氫氣的環(huán)境影響和能源效率取決于它是如何產(chǎn)生的。氫和燃料電池可以廣泛應用。由于燃料電池可以獨立于電網(wǎng)，因此對于數(shù)據(jù)中心、電信塔、醫(yī)院、應急響應系統(tǒng)甚至國防軍事應用等關鍵負載功能來說，它們也是一個有吸引力的選擇。燃料電池與電池類似，它們不是燃燒產(chǎn)生電能。與今天的汽油車類似，燃料電池電動汽車在一箱氫燃料上的行駛里程可以超過300英里。他們可以在幾分鐘內(nèi)補充燃料，而且加燃料體驗幾乎和加油站一樣。由于發(fā)動機（即燃料電池）沒有移動部件，永遠不需要換潤滑油。

1 氫燃料電池技術未來的可持續(xù)性[1]

Kumar討論了一些關鍵的能源、環(huán)境和可持續(xù)性問題，以及氫和燃料電池技術作為這些問題的潛在解決方案之一的作用。氫是一種特別吸引人的運輸燃料。它是產(chǎn)生污染最少的燃料，可以在任何有水和清潔電力的地方生產(chǎn)。用太陽能電解水或可再生生物質(zhì)氣化制氫，然后用于燃料電池電動汽車（FCEV）的燃料循環(huán)將產(chǎn)生很少或根本不會產(chǎn)生局部的、區(qū)域的或全球污染。氫燃料電池汽車將結合電池動力電動汽車（BPEVS）的最佳特性—零排放、高效、安靜運行、長壽命—內(nèi)燃發(fā)動機汽車（ICEVs）的長距離和快速加油時間。如果燃料電池技術如預期的那樣發(fā)展，那么氫燃料電池汽車將和太陽能電池汽車有一個重大的進步，它們將比氫燃料電池汽車更清潔和更高效，比氫燃料電池汽車有更短的加油時間和更低的生命周期成本。作者將揭示用燃料電池取代現(xiàn)有發(fā)電源的可能性。

燃料電池的類型主要取決于它們所使用的電解質(zhì)的類型。而電解液的類型又決定了操作溫度，不同類型的操作溫度差別很大。高溫燃料電池的工作溫度在1 100華氏度（600攝氏度）以上，這些高溫使得輕烴燃料（如甲烷）在有水存在的情況下自發(fā)地內(nèi)部轉(zhuǎn)化為氫和碳。

2 FCEV逆變器并聯(lián)直冷系統(tǒng)的研制[2]

現(xiàn)代汽車公司的Heung Seok Seo介紹了一種帶圓形翅片式的直接液冷電源模塊，它是一種用于高輸出電壓的電動汽車或燃料電動汽車的逆變器并聯(lián)冷卻系統(tǒng)。傳統(tǒng)逆變器的直接冷卻系統(tǒng)是沿硅晶片等加熱元件的布置方向提供冷卻劑，并將冷卻劑排放到另一側(cè)。對于逆變器，電壓輸出越高，由于產(chǎn)熱元件的熱量交換，冷卻入口與冷卻出口之間的溫差越大，因此溫差的大小取決于硅芯片的布置位置。解決這個問題的簡單方法是增加冷卻流速，但這會導致由于圓形翅片而產(chǎn)生的壓力損失增加。

2.1 仿真條件

本研究采用的逆變器是帶有圓柱形翅片的三相逆變器，并且配有單面直接冷卻系統(tǒng)。逆變器的芯片排列方式如圖1所示。電源模塊的貼合布局如圖2所示。功率模塊層由芯片和芯片焊料、直接結合銅（DBC）、焊料和基板組成。直接結合銅（DBC）是一種結構，銅層直接粘結在陶瓷上進行絕緣。

2.2 仿真模型

為冷卻通道優(yōu)化，驗證并聯(lián)冷卻系統(tǒng)對一般冷卻通道的影響，作者確定了冷卻通道尺寸由191.5 mm（長）、54 mm（寬）和8.5 mm（高）組成。

圖1 半導體冷卻劑的布置位置[2]

為有效設計并聯(lián)冷卻通道，選取螺栓連接等4個不受干擾的設計變量，設置約束條件。

但是當最高溫度降低時，芯片之間的溫差也得到了改善，因此設定目標函數(shù)使芯片的最高溫度和壓力損失最小化，以減少優(yōu)化時間。

圖2 電源模塊的貼合布置[2]

3 燃料電池系統(tǒng)開發(fā)對FCEV性能的影響[3]

FEV Marius Walters博士以燃料電池增程器（FCREX）在FEV Liiona中的應用為例，闡述了燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)挑戰(zhàn)。FEV Liiona是一款基于FEV開發(fā)的菲亞特500的電動汽車。這是第一個應用30 kW LT PEM燃料電池系統(tǒng)的超緊湊型類汽車。燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)對燃料電池電力系統(tǒng)的性能、效率、布置、耐用性和所需的維護工作都有顯著的影響。與此同時，對流體供應所必需的輔助部件的要求與內(nèi)燃機相比有很大不同。就燃料電池增程器應用而言，Marius Walters博士解釋并評估了所選擇的成熟組件平衡的優(yōu)缺點。在不限制車內(nèi)可用性的情況下，燃料電池增程器可以提供額外的140 km續(xù)航里程。

3.1 送風系統(tǒng)

圖3描述了送風系統(tǒng)的總體結構。首先，入口空氣通過一個過濾器，過濾掉威脅燃料電池交換膜的顆粒和空氣污染物。然后將其壓縮到必要的操作壓力級別，通過充電空氣冷卻器進入燃料電池堆疊。為了使后者最小化，系統(tǒng)中不采用膨脹機。因此，壓縮機必須由電力驅(qū)動，壓力水平由節(jié)流閥調(diào)整。空氣出口的消音器可以降低噪音。

圖3 送風系統(tǒng)的總體結構[3]

表1概述了適用于汽車應用的各種壓縮機類型的優(yōu)缺點。可以看出，在成本、生產(chǎn)能力和耐久性等重要方面，軸流式壓縮機和徑流式壓縮機均滿足要求。

Marius Walters博士也進行了單級壓縮機可能的類型比較及其在燃料電池汽車中的應用研究。

表1 適用于汽車應用的各種壓縮機類型[3]

Marius Walters博士的研究中，把電氣化Rotrex C8-8壓縮機的理論上可以達到的壓力被繪制成空氣質(zhì)量流量的函數(shù)。工作特性曲線受到?jīng)_擊線的限制，從20 g/s的質(zhì)量流量開始，壓力達到2 bar。壓縮機出口通過空氣濾清器和充電空氣冷卻器的壓力損失減小，導致FC電堆入口壓力也下降。當質(zhì)量流量為20 g/s時，壓力僅為1.94 bar。在質(zhì)量流量為30 g/s時，最大壓力為2.13 bar。當質(zhì)量流量大于40 g/s時，壓力再次降至2 bar以下。這相當于額定功率36.8 kW。

4 高度集成的燃料電池分析基礎設施[4]

聚合物電解質(zhì)膜燃料電池（PEMFC）允許可再生生產(chǎn)的氫能源有效、資源有效和無排放的轉(zhuǎn)化。為了在PEMFC系統(tǒng)領域進行應用研究，合作研究項目中開發(fā)并建立的一個150 kW功率系統(tǒng)的高度集成的燃料電池分析基礎設施。奧地利HyCentA Research研究所的Stefan Brandst?tter博士與AVL公司合作，提出了一種具有硬件環(huán)路（HiL）功能的新型開放式測試設備。可以實時模擬車輛、駕駛員和駕駛循環(huán)以及電池、電機、變速器和不同平衡裝置（BoP）部件等動力系統(tǒng)組件。

圖4概述了由氫氣供應系統(tǒng)和空氣/氧氣供應系統(tǒng)、水和熱管理系統(tǒng)以及控制單元組成的這些組件。送風系統(tǒng)由空氣過濾器、鼓風機或壓縮機和加濕器組成。水和熱管理系統(tǒng)控制燃料電池堆的溫度和濕度。

圖4 PEMFC系統(tǒng)方案[4]

高度集成的燃料電池分析基礎設施（HIFAI）概念和設計是基于汽車燃料電池應用的需求和約束條件，HIFAI試驗臺被設計為燃料電池開發(fā)、特征化、優(yōu)化和系統(tǒng)集成的創(chuàng)新工具。燃料電池系統(tǒng)或被測試單元（UUT）必須在實際運行條件下進行測試。因此，燃料電池測試基礎設施必須完成以下功能[4]：

（1）給被測試單元（UUT）提供氫

（2）提供氮氣以清除氫氣供氣管線，并且使被測試單元（UUT）惰性化

（3）為被測試單元（UUT）提供空調(diào)冷卻劑

（4）為被測試單元（UUT）提供電力負載

（5）模擬真實環(huán)境條件（環(huán)境艙）

（6）實時仿真虛擬動力總成、車輛和駕駛員（HiL環(huán)境）。

（7）提供測試自動化、數(shù)據(jù)采集和分析。

（8）提供控制器標定和參數(shù)化工具。

為了實現(xiàn)每個功能，HyCentA Research研究所已經(jīng)開發(fā)了獨立的模塊，并組建了燃料電池試驗平臺[4]。

5 PHEV不同駕駛模式對減少溫室氣體的差別效益[5]

5.1 不同駕駛模式分析

豐田公司的Ken Laberteaux進行了基于模擬的插電式混合動力電動汽車（PHEV）的等效溫室氣體（GHG）建模，用于在公共調(diào)查數(shù)據(jù)集（如加州家庭旅行調(diào)查（CHTS））中監(jiān)測真實車輛獲得的真實駕駛模式。由PHEV進行的等效溫室氣體（GHG）的建模可能具有挑戰(zhàn)性，因為它不僅取決于所討論的車輛設計和駕駛模式，而且還取決于[5]：

（1）PHEV的全電動續(xù)駛里程（AER）

（2）用于給電池充電的“油井到油箱”（W2T）等效溫室氣體

（3）自上次充電事件以來的先前行程中的電池衰減。

為了應對這些建模中的挑戰(zhàn)中，先前采用能量重新分配模型來估算不同充電行為的溫室氣體（GHG）當量。

5.2 溫室氣體排放模擬模型

作者的分析依賴于各種車輛模型對任意駕駛軌跡的燃料/能量消耗的模擬（不一定在任何標準測功機駕駛循環(huán)中）。對于這樣的模擬，美國能源部認可了兩個軟件模擬軟件包，即Autonomie和FASTSim。由于作者希望結果可以被廣泛的研究人員社區(qū)輕松復制，因為FASTSim是開源的軟件，因此FASTSim是首選軟件。可以從國家可再生能源實驗室免費下載。

FASTSim所輸出的結果包括汽車型號所消耗的燃料和/或電力，插電式混合動力汽車默認情況下，每一次旅程以電池充滿狀態(tài)下開始旅行。作者開發(fā)了一種能量再分配模型，用于估計任意初始電荷狀態(tài)下的燃料和電力的正確數(shù)值（從而可以模擬各種充電行為）。圖5展示了2015年美國電網(wǎng)和三種不同的充電行為，應用加州家庭旅行調(diào)查（CHTS）數(shù)據(jù)集（車輛和行程稱重）獲得的溫室氣體直方圖：a）CV，b）PHEV10，c）PHEV40。

圖5 三種不同的充電行為[5]