客車用氫燃料電池發動機集成開發技術研究＊

梁滿志 囤金軍 薛守飛 李海海 王丙虎

（中通客車控股股份有限公司，聊城 252000）

主題詞：氫燃料電池集成 氫燃料電池零部件 耐久性 可靠性

1 前言

根據氫燃料電池特性，質子交換膜氫燃料電池（PEMFC）是電動汽車的理想動力源，它將氫氣和氧氣通過電化學反應直接轉化為電能[1]，其過程不涉及燃燒，能量轉化率高，產物僅為電、熱和水，運行平穩，噪音低，被稱為“終極環保發動機”。

氫燃料電池是實現氫能源產業化的核心環節，氫燃料電池汽車是我國新能源汽車戰略的重要組成部分，也是氫燃料電池技術推廣應用的重要領域。發達國家紛紛將其列入未來汽車先進動力的發展方向和國家戰略，我國政府與各級地方政府先后出臺了一系列政策，規劃和引導氫燃料電池技術應用和市場的進一步發展。

在應用前景方面，我國節能與新能源汽車產業規劃提出：至2020年氫燃料電池汽車應用規模超過2萬輛，2025年達到10萬輛，2030年達到100萬輛。據《中國氫能源及燃料電池產業白皮書》統計，全國22個地區有60多項氫能開發政策。預計到2050年，氫能將至少占領10%在中國終端能源系統，其中氫燃料電池商用車到2050年將達到160萬輛，市場份額將接近37%[2]，氫燃料電池乘用車到2050年市場份額將超過14%。這一系列的預測表明，氫燃料電池汽車的應用前景十分廣闊。

氫燃料電池客車將成為真正意義上的高效、清潔汽車，這是減少碳排放、節約化石燃料應用的重要手段，氫燃料電池的應用將有效改善人類生活空氣質量，對環境保護及經濟的可持續發展有重要意義。

2 客車用氫燃料電池系統集成技術

2.1 氫燃料電池原理

作為能量轉換裝置的氫燃料電池根據電化學原理將儲存在氫氣和氧氣中的化學能直接轉化為電能。因此，其實際過程是氧化還原反應。氫燃料電池主要由4部分組成，即陰極、陽極、外部負載和電解質。氫氣和氧氣分別通過氫燃料電池的陽極流道和陰極流道進入電池內部，經過氣體擴散后到達電極催化層。氫氣在陽極上失去電子，電子通過外部負載流到陰極與氧氣結合生成離子[3]，其原理如圖1所示。

圖1 PEMFC氫燃料電池原理

其中陽極反應方程式為：

陰極反應方程式為：

總反應方程式為：

2.2 氫氫燃料電池發動機系統組成

氫燃料電池系統由電堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、水熱管理系統、電控系統組成，如圖2所示。

圖2 氫燃料電池發動機系統組成

氫燃料電池的集成設計目標是將氫燃料電池零部件按照工作原理及設計要求，布置在氫燃料電池電堆周邊合理的位置，通過支架、硅膠管和殼體機械結構將各個子系統零部件合理的連接起來，組成一個剛性整體，最終完成氫燃料電池發動機的集成。

2.3 氫燃料電池系統零部件選型匹配

2.3.1 電堆的選型研究

分析國內商用車用氫燃料電池系統現狀，基本可概括為3大技術路線，即分別以巴拉德電堆、氫能電堆、國產電堆為核心進行擴展研發，下面分別介紹一下以3種電堆為基礎進行研發的優缺點。

加拿大Ballard在質子交換膜、氫燃料電池開發和商業化領域均處于國際先進水平，尤其在國內與多家公司進行合作，并且從北京奧運會到上海世博會，處處能看到加拿大Ballard的身影（圖3）。國內多家氫燃料電池系統廠家有應用案例，如重塑、氫雄等。

圖3 加拿大Ballard電堆[4]

加拿大Hydrogenics在其電堆（圖4）和端板上已經集成了氫氣循環裝置、加濕裝置、比例閥、單體電壓采集裝置、電堆控制器、氫氣容、電磁閥、傳感器部件，其中電堆控制器包含壓縮機的控制電路、氫氣循環泵的控制電路、一些模擬量的輸入、控制信號的輸出（包括流量傳感器、溫度、壓力的采集和電磁閥的控制信號）。電堆控制器將電堆正常運行所需的參數及控制部件集中控制，保證電堆以最佳的條件工作。因此，采用Hydrogenics的電堆對于集成來說會相對容易很多，并且也會保證電堆的性能和可靠性，但由于其控制包含空壓機、氫氣循環泵等附件，其電堆本體也包含一部分附件，對于自主選擇零部件受到一定的限制，后期的成本控制也會受到很大的限制。

圖4 加拿大Hydrogenics電堆[5]

新源動力、國鴻、神力、弗爾賽、氫璞創能等作為國內有競爭力電堆生產廠家，均已開發自主專利的知識產權技術，包括氫燃料電池核心部件、核心材料以及發動機所需的零部件，技術水平處于國內領先地位，一些核心材料技術處于國際領先水平。氫燃料電池及零部件的中小規模的生產測試加工線設備已完善，能夠實現規模化的生產制造。

2.3.2 供氫系統選型研究

氫氣循環泵技術國外廠商遙遙領先，美國Park公司開發的氫氣循環泵可用于不同的氫燃料電池汽車，美國Argonne國家實驗室，開發了氫氣引射裝置以及與氫循環泵混合循環系統[6]，各大汽車公司也開發相應的氫氣循環裝置，并用于氫燃料電池發動機。國內在此關鍵部件上以國外訂單采購為主，技術仍處于研發階段，雪人股份日前宣布已自主研發出新型氫氣循環泵，德燃動力自主研發的供氫-回氫總成目前已滿足各工況范圍內氫循環要求。

國內的車載供氫系統更偏向于系統集成的技術，儲氫罐閥門、壓縮器、傳感器部件和設備是以外國采購為主，而這些零部件技術的落后一定程度上制約上了我國氫燃料電池汽車供氫系統的發展。國產化是市場最緊迫的需求，國內企業未來需要在研發零部件方面進行不懈努力，以大幅降低成本。

2.3.3 空氣系統選型研究

氧氣供應系統提供反應所需的氧，可以是純氧，也可以用空氣。氧氣供給系統可以用馬達驅動的鼓風機或者空氣壓縮機，也可以用回收排出余氣的透平機或壓縮機的加壓裝置。

典型的氫燃料電池空氣供氣系統主要由化學空濾器、空壓機、加濕器和連接管道組成。其中，空壓機是空氣側供氣系統的重要部件。增加氫燃料電池發動機的效率和功率密度需要通過對氫燃料電池電堆入口空氣進行增壓，進而增加系統的體積功率密度。然而，空壓機功耗非常大，大概占氫燃料電池輔助系統能耗的80%，其效能直接影響發動機系統電堆內部的水含量，并且會影響系統的緊湊性和效率[7]。因此，空壓機的選型占據尤為突出的位置，在此分析了氫燃料電池空壓機選型所需的技術條件，如表1所示。

表1 氫燃料電池空壓機的技術要求與評價

空壓機的種類很多，按工作原理可分為3大類：

（1）容積型：活塞式空壓機、螺桿式空壓機、渦旋式空壓機；

（2）速度型：離心式壓縮機、鼓風機；

（3）電磁型：電磁式空壓機、熱力型壓縮機（如噴射器）。

本文整理的空壓機類型、優缺點和國內外生產企業和機構見表2。

表2 空壓機類型及優缺點比較

當前用于氫燃料電池的空壓機有容積型和高速型2種，電磁類仍未完全進入市場。基于國內外的研究和發展，離心機將會占據越來越重要的位置。大量研究表明，氫燃料電池對空氣系統的要求越來越高，未來發展可能會偏向于離心機和渦輪機[8]。

氫燃料電池空氣系統的另一個關鍵部件是增濕器，因為氫燃料電池的質子交換膜需要含有足夠的水才能促進氫質子的傳輸，因此需要增濕器將進入電堆的空氣進行增濕，保障質子交換膜的濕潤性[9]。通過提高質子交換膜的電導率、降低膜電阻來提高相當濕度，從而提高質子交換膜氫燃料電池（PEMFC）的性能輸出。但相對濕度也不是越高越好，當相對濕度高于100%時，意味著氣體中已有液態水的存在，如果這些液態水無法有效排走，那么容易導致水淹。

目前應用于PEMFC系統的空氣加濕通常是內部加濕和外部加濕。內部加濕是通過改變電堆兩側端板的結構可以實現電堆的內增濕；外部加濕是指在反應氣體進入到電池反應前，通過電池外部附加裝置實現對燃料氣體增濕的技術。

國外已有多廠家開發出加濕器，并形成產品，能夠滿足備用電源到氫燃料電池公交車用的加濕需要。如美國博純Perma-Pure生產的管式加濕器、加拿大Dipont的板式加濕器、德國Mann-Hummel的板式/管式加濕器和德國Freudenberg FCCT的管式加濕器等。國內以采購國外加濕器產品為主，鮮有能自主生產加濕器的企業，目前國內研究機構還處在基礎研究階段。

對于車載PEMFC系統來說，外部加濕因其増濕量大且穩定、易于操作的特點成為目前最常用的加濕方式。增濕器導致氫燃料電池系統復雜且效率低下，還會造成系統的體積密度和功率密度雙降，同時會造成利潤率降低，對氫燃料電池的商業化發展是個阻礙。這種背景下，小型化或取消增濕器轉而進行自増濕的研究和開發將成為發展趨勢。豐田等企業采用先進系統設計，已經取消了加濕器，有效提高了低溫冷啟動性能。

2.3.4 水、熱管理系統選型研究

PEMFC實際工作時，熱能積累使電池內部逐漸升溫，有利于提高電化學反應速度和質子在電解質膜內的傳遞速度，并且反應產物水也能隨著過量反應氣體及時排出。但溫度過高會使質子交換膜脫水，導致電性能變差，溫度過高還會造成質子交換膜因高溫而被燒灼出大的孔洞，會造成氫氣向空氣側泄露，因此，維持電堆內部溫度在70℃～80℃之間是非常合理的。

合理的吹掃以及過量的空氣可以及時排出電堆陰極側的水分，避免造成水淹[10]。通過加濕的方法又可以維持PEM膜在最佳的水合狀態，以獲得較高的傳導性和良好的運行特性。

熱管理系統通過循環水將電堆內部的溫度降低，保障質子交換膜不會因為高溫而灼傷出微孔[11]。熱管理系統中還包括水泵、節溫器、散熱風扇、流量計、閥門部件。常用的傳熱介質是去離子水或特殊的防凍液。

豐田Mirai氫燃料電池汽車的核心突破技術之一是將水熱管理做到極致，取消外部加濕器。通過將膜做薄（0.01 mm）有利于電池陰陽極之間的水傳遞；將熱管理控制器放置在空氣入口處降低溫度使膜不容易變干；采用空氣和氫氣逆流的方式將反應生成的水帶回反應中，從而實現了自增濕的作用。此舉大大簡化系統的復雜度，降低成本，又很好地維護電堆內部的水熱平衡。

氫燃料電池水、熱平衡緊密相連，并且對其性能、耐久性和安全性有著至關重要的作用。因此，保持水、熱最佳的平衡需要精確的對空氣和氫氣以及水的流速和流量進行控制[12]。

2.3.5 電控系統研究

氫燃料電池電控系統主要由FCU（氫燃料電池控制器）對各種輸入信號進行判斷計算，并由執行機構如空壓機、水泵等部件進行動作執行，控制氫燃料電池附件工作來保障氫燃料電池電堆在最佳的工作點進行工作[13]。

氫燃料電池電控系統包括氫燃料電池控制器（FCU）、空壓機控制器、單體電壓巡檢系統（CVM）、水泵控制器、DCDC升壓控制等。控制系統如果按模塊可劃分為：氫氣供給系統的控制、空氣供給子系統的控制、水、熱管理系統的控制等。如果按運行程序劃分，又可分為：工作模式（CRM和CDR）策略；狀態及遷移策略；氫燃料電池單體電壓巡檢處理策略；陽極氫氣吹掃（Purge）過程控制策略；水、熱管理控制策略；陽極氫氣循環回路控制策略；陰極空氣供給控制策略冷啟動過程控制策略；防凍（Freeze）處理策略；泄露檢查（Leak Check）策略；報警(Alarm)和故障(Fault)判定和處理規則。電控系統終極目標是發揮輔助系統的綜合作用，保障氫燃料電池電堆的高效運行，實現能量的最優利用[14]。

目前國際上在系統控制技術上領先的是日本豐田公司。國內具有較成熟的氫燃料電池系統開發經驗，同時具備控制系統的技術和開發能力的企業有重塑科技、愛德曼、江蘇清能、明天氫能等。

保障氫燃料電池耐久性的控制技術在未來一段時間內將發揮越來越重要的作用。氫燃料電池系統的耐久性很大程度上取決于對氫燃料電池的控制，通過大數據分析，動態工況的變載策略、長時間怠速工作模式、頻繁的啟動和停機都會縮短氫燃料電池的壽命。因此，電控技術將成為氫燃料電池系統開發最核心的技術之一[15]。

2.4 氫燃料電池系統框架設計

通過以上對氫燃料電池系統零部件選型匹配和分析研究，經過方案分析和對比，建議應用加拿大Bal?lard進口電堆或國產電堆，通過自主匹配集成零部件進行氫燃料電池發動機的開發工作。

氫燃料電池發動機系統集成開發從構型設計、電堆和零部件匹配、整車工程化應用3個維度，研究氫氫燃料電池發動機系統的集成設計（水、熱管理系統、供氫系統、空氣供給系統）和多目標（功率、重量、密封、壽命、成本）匹配開發技術。

其中，氫氣供給子系統的結構原理如圖5所示。

圖5 氫燃料電池發動機氫氣供給子系統

空氣供給子系統的結構原理如圖6所示。

圖6 氫燃料電池發動機空氣供給子系統

水熱管理子系統的結構原理如圖7所示。

圖7 氫燃料電池發動機水熱管理子系統

水、熱管理子系統的結構原理如圖8所示。

2.5 氫燃料電池系統集成設計

通過以上針對子系統的框架設計，將各個子系統進行合并集成，組成一臺完整的氫燃料電池發動機。

集成開發氫燃料電池發動機系統所匹配的零部件需滿足氫燃料電池發動機的功率需求，包括陰陽極流量、陰陽極壓力、溫度、濕度（表3）。

圖8 氫燃料電池電控子系統結構原理

表3 氫燃料電池發動機運行參數

氫消耗隨電流增加而增加，并且取決于電池堆中的單體數量。實際流速要求是氫消耗乘以過量系數。可以使用以下公式計算氫消耗量。

式中，FH2為氫氣消耗量；I為電堆電流；N為電堆單體的數量。

在具有燃料(氫氣)再循環的系統中，消耗量將略高于1.0化學計量，因為吹掃需要1%～2%的(氫氣)流量。

氫燃料電池發動機系統集成開發需滿足氫燃料電池客車工況運行過程中受到的系統內部零部件震動作用和由車身傳遞的外部震動沖擊作用，同時系統集成設計還受到整車安全性、舒適性和耐久性的約束條件，因此需要滿足下列性能要求。

（1）承載能力要求：在急轉彎、低速碰撞、路面沖擊、急加速各種車輛運行工況下能夠承受相應的加速度，無失效發生。

（2）剛度要求：在靜態工況及動態工況下應有足夠的剛度，用來滿足氫燃料電池系統結構穩定和懸置系統的隔振要求。

（3）模態要求：固有頻率營避開空壓機、電機、空調壓縮機和水泵的主要工作頻率，避免結構共振，以滿足整車NVH性能要求。

（4）耐久性要求：滿足整車全生命周期的疲勞耐久性要求。

3 氫燃料電池發動機及整車測試

3.1 氫燃料電池發動機系統測試

科學的對氫燃料電池進行測評可以快速的評價氫燃料電池系統的綜合性能指標，這在氫燃料電池汽車產業發展初期進行有效的測評是非常有必要的，整理相關標準如表4所示。

表4 氫燃料電池相關國家標準

除了國標要求的相關標準外，還會在以下所列項目中進行重點關注，包括：

（1）面對更加復雜的氫燃料電池冷卻系統，如何保證其嚴格的溫度控制要求；

（2）面對更加復雜的氫燃料電池電氣結構，其能量消耗量如何進行計算，如何計算電堆輸出功率能量流向的分析，如圖9所示。

圖9 整車能量流向示意

試驗中測量參數包括：動力電池電壓和電流、氫燃料電池電堆輸出電壓和電流、加注氫氣質量、從電網獲得的電能、工況下運行里程、對每個運行工況計算電池的輸出功率和電堆的輸出功率（通過積分計算獲得），從而計算出氫氣消耗率和電能消耗率。

氫燃料電池系統開發過程中，需要全面考慮其綜合性能指標，包括動力性、經濟性、穩定性、可靠性、耐久性、瞬態響應、輸出效果、安全性和環保性等[16]。

3.2 氫燃料電池客車實際道路耐久性測試

為了進一步驗證氫燃料電堆等關鍵零部件的匹配性、可靠性以及整車動力性、經濟性和可靠性，保障產品在批量產業化后各項性能指標的先進性，對氫燃料電池客車進行10 000 km的試驗驗證，結合氫資源和車型的運營特征在合適地區開展相關試驗工作，詳細規劃如表5所示。

表5 整車性能試驗項目

選取了聊城30臺批量訂單進行了小批量試運行驗證，并跟蹤了30 000 km的運行狀態（圖10、圖11），結果表明，按照本文所述研究內容進行氫燃料電池發動機集成，具有較好的可靠性和耐久性指標。

圖10 氫燃料電池客車耐久性實際道路測試

4 結論

本文論述了研發氫燃料電池客車用質子交換膜氫燃料電池的意義，進而分析了氫燃料電池的集成技術，包括系統零部件的選型和分析，并探討了氫燃料電池發動機系統集成技術與可靠性、耐久性的影響因素，最后找出相關測試方案，結果表明，該集成方案具有較好的可靠性和耐久性技術指標，適合進行推廣應用。

圖11 氫燃料電池客車運營前后性能測試

未來該項目將重點跟進燃料電池的耐久性和可靠性提升，開發高環境適應性、高耐久性和高可靠性的燃料電池發動機及整車產品，并致力于大規模的產業化，為全球節能減排做出積極貢獻。