氫能源汽車動力系統集成研究

譚元文，沈 博，陳聲斌，汪 江，李雪芹Tan Yuanwen，Shen Bo，Chen Shengbin，Wang Jiang，Li Xueqin

氫能源汽車動力系統集成研究

譚元文1，沈 博1，陳聲斌1，汪 江1，李雪芹2
Tan Yuanwen1，Shen Bo1，Chen Shengbin1，Wang Jiang1，Li Xueqin2

（1.武漢格羅夫氫能汽車有限公司 整車架構部，湖北 武漢 430070；2. 中國葛洲壩集團三峽建設工程有限公司，湖北 宜昌 444300）

氫能源汽車是新能源汽車的重要組成部分，其動力系統性能直接關系到其生命力的強弱。介紹了氫能源汽車動力系統集成原理，核心系統關鍵零部件的構成、技術參數及供應商信息等。

氫能源汽車；動力系統；關鍵零部件

1 氫能源汽車動力系統的優勢

氫能源汽車采用氫氣作為動力能源，在燃料電池系統里與氧氣發生化學反應產生電，經過DC/DC（Direct Current/Direct Current，直流電升壓轉換器）電壓處理之后，三相高壓電驅動電機，帶動汽車行駛。氫氣與氧氣發生化學反應的產物只有熱量、水和電，不會有任何碳化物，實現了零排放，因此不會對環境產生污染。氫能源汽車除了環保以外，還有以下優勢。

（1）加氫時間短。

一般加滿所有氫瓶只需要3～5 min。

（2）續航里程可控。

乘用車續航一般可以達到500 km以上，可以消除用戶的“續航焦慮癥”。續航里程與車載氫瓶數量直接相關，增大氫瓶容積可以增加續航里程。在考慮整車成本的情況下，可根據車輛續航要求調整氫瓶容積。

（3）地域局限性小。

氫能源汽車目前可實現-20℃環境下冷啟動，因此在北方也可以使用氫能源汽車。隨著技術的發展，已有廠家試驗-40℃低溫環境下冷啟動，如果試驗成功，則高寒地區也可運行氫能源汽車。

（4）氫氣來源較廣。

可通過熱化學制氫、水電解制氫、等離子體制氫、化石能源制氫、太陽能制氫、生物質制氫、核能制氫、含氫載體制氫、副產氫回收等多種方式制取氫氣，氫氣來源廣泛[1]。

2 氫能源汽車燃料電池系統原理

氫能源汽車的動力系統關鍵是燃料電池系統。燃料電池提供了氫氣、氧氣化學反應的場所，并把電流集合、輸出。同時，系統需要給燃料電池供給氫氣、氧氣，提供冷卻，保證燃料電池正常高效運行。因此，燃料電池系統是一個復雜的電流發生系統[2]，不同廠家給出了不同的系統原理圖[3]，所介紹的系統原理如圖1所示。

為保證燃料電池正常高效運行，圖1設計了4條回路：

氫氣路——由高壓氫瓶、氫氣循環泵、閥組等組成。向電堆供給氫氣，并將高壓氫氣降壓至燃料電池所需壓力。

空氣路——由空濾、空壓機、中冷器、加濕器等組成。向電堆供給氧氣，使得氫氣在電堆內部充分發生化學反應。

冷卻水路——由膨脹水箱、去離子器、水泵、散熱器等組成。將電堆內部化學反應產生的熱量帶走，保證電堆持續工作在最佳溫度。

電路——由DC/DC等組成。后接車輛各用電設備。

圖1 燃料電池系統原理圖

3 燃料電池系統關鍵零部件

圍繞4條回路介紹系統中涉及的關鍵零部件。

1）高壓氫瓶

圖2 高壓氫瓶組

目前國內市場上主要有Ⅲ型瓶供汽車高壓供氫系統使用，如圖2所示。Ⅲ型瓶工作壓力為30～70 MPa，使用壽命為15～20年；瓶身采用金屬鋁內膽。目前國內供應商主要有沈陽斯林達、北京天海、張家港國富氫能等。也有廠家宣稱已經成功研制了Ⅳ型瓶，已按照國外氫瓶標準通過了實驗驗證。但目前我國沒有明確的法規標準，還不能應用于車輛上。

高壓供氫系統中，瓶閥是關鍵部件。目前國內的氫瓶供應商在供應高壓氫瓶的同時可以提供相應的瓶閥。

2）空壓機

空壓機為系統提供滿足壓力要求的空氣。燃料電池系統用空壓機可分為2大類，即容積式和速度式（透平式）。容積式分為回轉式（包括螺桿式、滑片式、羅茨式）和往復式（包括活塞式、隔膜式）。速度式主要包括離心式、軸流式、噴射式、混流式。目前在氫能源汽車上使用的空壓機主要有4種類型。

（1）雙螺桿壓縮機。

螺桿式制冷壓縮機具有轉速高、質量輕，體積小、占地面積小以及排氣脈動低等一系列優點。但其轉子、機體等部件加工精度要求高，裝配要求比較嚴格；油路系統及輔助設備比較復雜；轉速高，噪聲比較大。

（2）渦旋壓縮機。

渦旋式壓縮機屬于容積式機械，在容積式流體機械中容積效率較高，且壓力與氣量連續可調，在寬的工況下都可以達到較高的效率。渦旋機械可設計成壓縮機—電機—膨脹機共軸的一體化結構型式，但與離心式相比尺寸和質量較大。

（3）羅茨壓縮機。

目前只有豐田采用該壓縮機，這是一種利用兩個葉形轉子在氣缸內作相對運動來壓縮和輸送氣體的回轉壓縮機。這種壓縮機靠轉子軸端的同步齒輪使兩轉子保持嚙合。

（4）離心壓縮機。

本田、通用汽車都在使用該壓縮機，這是一種速度式壓縮機，有諸多優點，如排氣量大、排氣均勻、氣流無脈沖，轉速高、體積小、效率高、噪聲小，機內不需要潤滑，密封效果好、泄露現象少，有平坦的性能曲線，操作范圍較廣，易于實現自動化和大型化，易損件少、維修量少、運轉周期長。缺點主要是負荷變化大，氣流速度大，流道內的零部件有較大的摩擦損失，有喘振現象。

各型式空壓機性能對比見表1。

表1 空壓機性能對比

3）增濕器

圖3 增濕器

空氣在進入電堆之前需要加濕處理，確保質子交換膜有合適的濕度。電堆內部的空氣濕度與電導率有密切關系，如果電堆內過于干燥會導致電導率大幅下降；如果濕度過大，電堆內有液態水流動，會阻礙氫氣、氧氣接觸到催化劑發生化學反應產生電流[4]；因此需要對電堆采取適當的增濕措施。增濕手段包括內增濕、外增濕。圖1中系統采用的外增濕器如圖3所示。目前增濕器的供應商主要來自國外。

（4）散熱器

散熱器由高溫散熱和低溫散熱兩部分組成，其中高溫散熱只供電堆使用。電堆對冷卻介質性能要求較高，比如具有電導率極低、無污染性、熱容量高、凝固點低等特性，一般采用純水或者純水與乙二醇的混合物。低溫散熱采用兩條回路，空壓機、空壓機控制器為一條回路，電機、電機控制器、分電器、直流升壓轉換器為另一條回路。

（5）去離子器

去離子器（如圖4所示）在冷卻介質循環過程中不斷將介質去離子化，保證介質的高純度，達到冷卻需求。一旦系統監測到介質純度不滿足冷卻要求，則提醒更換新的冷卻介質。

圖4 去離子器

4 氫能源動力系統的發展

當前氫能源產業鏈還不成熟，氫能源動力系統在零部件選型上空間較小，關鍵的零部件只能采用現存產品，這樣集成的動力系統效率低下，因此國內目前沒有氫能源乘用車上市銷售。隨著氫能源產業的發展，越來越多的資源投入會聚焦到氫能源上，零部件技術會趨于成熟，氫能源動力的關鍵技術會得到更好解決。不僅會在動力系統技術上取得較大突破，而且其開發周期、研發成本等方面都會大幅縮減[5-7]。

[1]毛宗強，毛志明. 氫氣生產及熱化學利用[M]. 北京：化學工業出版社，2015.

[2]衣寶廉. 燃料電池——原理˙技術˙應用[M]. 北京：化學工業出版社，2003.

[3]Frano Barbir. PEM燃料電池：理論與實踐[M]. 李東紅，連曉峰，等譯.北京：機械工業出版社，2016.

[4]Ryan O’Hayre，車碩源，Whitney Colella，Fritz B.Prinz.燃料電池基礎[M]. 王曉紅，黃宏，等譯. 北京：電子工業版社，2007.

[5]孫偉川. 歐陽明高：開弓沒有回頭箭[J]. 商用汽車新聞，2017（4）：3.

[6]孫偉川. 歐陽明高：2016年是純電驅動技術轉型標志年[J]. 商用汽車新聞，2017（8）：10.

[7]甄文媛. 歐陽明高：從能源革命高度重新理解氫燃料電池汽車[J]. 汽車縱橫，2018（12）：32-34.

2019-08-09

U463.5

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2019.04.010

1002-4581（2019）06-0044-03