清华大学:典型燃料电池汽车动力系统的关键技术 厚势 发布时间:2022-10-08 03:26:16 来源:鼎博app官网版下载 作者:鼎博安卓版

  11 月 9 日 ~ 11 月 10 日,2017 第二届国际燃料电池汽车大会(Fuel Cell Vehicle Congress,FCVC)在江苏省南通市如皋汽车文化馆隆重召开。会议吸引了 20 多个国家与地区的 50 多位政府嘉宾和 100 余位国内外企业 CEO、副总裁级别等企业高管、院士、智库、科研院所、大学等嘉宾参与。

  借此机会,厚势推出一篇燃料电池相关的专业综述文章《典型燃料电池轿车动力系统的关键技术》。文章原载于 2016 年第二季度出版的《汽车安全与节能学报》,作者为汽车安全与节能国家重点实验室方川博士、徐梁飞博士、李建秋教授和欧阳明高教授。

  文章分析了日本丰田汽车的量产燃料电池汽车 MIRAI 动力系统所采用的创新技术。MIRAI 在动力系统方面进行了多项技术革新,以提升最高功率、环境适应性、可靠性、耐久性和储氢质量容量,以及降低成本。MIRAI 在动力系统构型、燃料电池电堆组件、高压储氢系统等方面所采用的燃料电池技术,对燃料电池研究具有借鉴意义,燃料电池系统的内部自增湿和双极板设计也是如此。

  为了更好地推进国产燃料电池轿车的研发和改进,本文将对某燃料电池轿车动力系统采用的创新技术进行分析。与商用车相比,轿车对动力系统的功率密度和成本有更高的要求,这对燃料电池在轿车上的应用是一大挑战。以某国际典型燃料电池轿车为例,其在动力系统方面进行了多项技术革新,以提升最高功率、环境适应性、可靠性、耐久性和储氢质量容量,以及降低成本。

  近年来,车用燃料电池技术突飞猛进,尤其在日本全力争取实现氢能社会的背景下,丰田、本田相继推出其最新款燃料电池轿车。日本丰田汽车公司于 2014 年 12 月 15 日在日本正式发布燃料电池轿车 MIRAI,是全球首款量产的燃料电池汽车[1]。

  本文以该燃料电池轿车为例,分析其燃料电池动力系统关键技术。本文将从动力系统构型、燃料电池电堆组件、高压储氢系统等方面对丰田燃料电池轿车动力系统关键技术进行分析,详细阐释丰田公司为提高车辆性能在 MIRAI 采用的创新性技术。

  丰田汽车公司从 1992 年开始燃料电池技术的研发,于 2002 年发售燃料电池混合动力 SUV「丰田 FCHV」,并在日本和美国限量发售。2005年,新版的丰田 FCHV 获得日本车辆类型认证 [2]。2008年,丰田推出改进版的 FCHV-adv [3]。2014 年,丰田汽车公司正式量产 MIRAI,并宣布将其燃料电池系统相关专利开放无偿使用至 2020 年,其加氢站建设运营相关专利无限期开放无偿使用[4]。

  丰田经过 20 多年的研究积累,实现了多个重大技术突破,使得燃料电池车辆各方面的性能都得到了极大提升:

  冷启动方面,在 2010 年已经能够做到在 -15 ℃ 成功启动,启动时间为 30s [7],在 2012 年将启动温度进一步降低到了 -20℃ [8],根据 2014 年在加拿大耶洛奈夫的低温测试结果,MIRAI 能够在 -30℃ 成功启动 [9],并在 35s 内达到最高功率 60% 的功率输出;

  寿命方面,MIRAI 的耐久性和可靠性提高到 FCHV-adv 的3倍,足以满足大规模商业化推广燃料电池汽车的条件 [6]。

  丰田开发的几代燃料电池轿车均属于串联式混合动力,即燃料电池和蓄电池并联,燃料电池提供动力系统需要的平均功率,蓄电池提供峰值功率或动态过渡所需的功率。

  2014 年的 MIRAI 和 2008 年的 FCHV-adv 均采用燃料电池聚合物电解质燃料电池电堆,它们的电机类型为永磁同步电机,高压储氢压力为 70 MPa,动力电池为镍氢电池。两种车型的动力系统构型如图 1 所示,具体车辆参数的比较,见表 1。

  在 FCHV-adv 中,燃料电池和驱动电机逆变器直接相连,即燃料电池电压与电机电压基本一致,该构型对驱动电机及其逆变器的设计有一定的要求。而在 MIRAI 中,燃料电池单片片数更少,从 400 片减少到了 370 片,燃料电池通过一个升压 DC/DC 与驱动电机逆变器连接 [10]。

  由于丰田改进了电堆设计,电堆电流密度提高到了 2.4 倍,因此减少单片片数并没有影响功率的提升,同时单位功率的膜面积减少了 59%,不但降低了膜电极方面的成本,还降低了系统尺寸和质量 [6]。由于采用了升压 DC/DC,电极的最高电压可以提升至 650V,新的动力系统可以采用已量产的高压组件,有利于提高可靠性和降低成本 [10]。

  燃料电池电堆组件包括燃料电池电堆、附件系统和升压 DC/DC,将这些部件集成在一起,使得整个组件更加小型化、轻量化,而且成本更低。

  燃料电池的质子交换膜在运行过程中需要保持湿润,而丰田开创性地实现了无外部加湿器的内部自增湿[10],这一举措不但简化了附件系统,还减小了整个系统的热容,有利于冷启动,具体实现途径见图 2。

  在燃料电池单片内部,氢气和空气的流动方向是相反的。由于空气入口去除了增湿器,空压机出口大流量的干空气容易引起空气入口膜干。为了解决这一问题,MIRAI 采用更薄的电解质膜促进了生成的水从空气出口向氢气入口反向扩散,氢气再循环泵强制将氢气入口的水向氢气出口传输,而氢气出口富集的水蒸气将扩散到空气入口,缓解此处容易发生的膜干现象。同时,特殊的冷却流场设计有效调节了热的传递,增大空气上游与冷却水的接触面积,抑制温升和水的蒸发,从而防止空气入口膜干。

  MIRAI 的膜电极及气体扩散层组件包括电解质膜、催化剂层、微孔层、气体扩散层。其结构如图 3 所示 [6,10]。

  MIRAI 采用的电解质膜的厚度比 FCHV-adv 减小了 2/3,不但增强透水性,还将质子传导率提高到 FCHV-adv 的至少 3 倍。此外,由于低湿度条件下容易产生过氧化氢和羟基自由基,为了减轻这些副产物对电解质膜造成的腐蚀,丰田在膜电极及气体扩散层组件中加入了自由基淬灭剂,并降低了来自附件系统的铁离子污染,从而提高了电解质膜的寿命 [6]。

  在催化剂层中,丰田通过增加官能团降低了离聚物的当量,同时优化了离聚物的比例,使得质子传导率和气体扩散率均得到了提高。通过铂/钴合金的合理配比和酸性处理,催化剂活性提高到了原来的 1.8 倍。催化剂的碳载体从空心类型改进为实心类型,使得所有的催化剂颗粒均附着在碳载体表面,降低了氧气扩散阻力,并将催化剂在低湿度条件下的有效利用率从约 40% 提高到了 80% 左右。这使得 MIRAI 单位功率的铂用量比 FCHV-adv 减少了 2/3。此外,丰田通过优化催化剂颗粒的大小和分布,抑制了在电压波动时催化剂的流失和偏析,从而阻碍有效反应面积的减小。

  在扩散层中,丰田优化了碳纸基材中碳纤维和粘接剂的比例,并采用了更薄的碳纸,碳纸的质量降低了 45%,获得了更高的气体扩散性能。此外,在扩散层和催化剂层的界面处形成了一层粗粒度的炭黑作为微孔层,提高了透水性,改善了排水能力。最终气体扩散能力增强了一倍 [11]。

  MIRAI 采用的双极板基材为钛金属,阳极采用的是精密冲压成型的细间距流道,阴极采用的是3D 细网格流道[6]。丰田曾进行过阴极采用泡沫金属烧结多孔流道的研究,多孔流道能够在大电流下同时保证充足的氧气供应、良好的电气接触和均匀的压力分布。采用多孔流道的电堆电流密度比 FCHV-adv 高一倍。但由于气体压阻太大,孔隙中残留水较多,以及产品质量的不稳定和高造价,最终丰田放弃了该方案 [12-13]。

  丰田总结多孔流道和传统直流场的优缺点,创新性地提出了三维(3D)细网格流道作为阴极流道。如图 4 所示。

  传统流场中的肋部与气体扩散层接触,这些部分容易造成水的聚集,从而阻碍氧气扩散,导致电流密度分布不均匀 [14]。虽然传统流场的直流道压力损失小,但该设计流场肋部宽度(d_rib)较大,水在肋部下方生成,容易发生水淹,水淹阻碍气体流动,从而影响气体在单片内部和不同单片之间的分布和电压的稳定性 [15]。

  MIRAI 中采用的新型 3D 细网格流场能够将空气导向气体扩散层,促进氧气的扩散。同时丰田优化了流场的几何尺寸和表面亲水性,使得生成的水能够迅速被带到流场的背面,促进排水防止水淹,使得气体在单片内部和不同单片间的分布更加均匀,提高电堆单片电压的一致性[16]。

  此外,阴极的流道采用了梯度化设计,沿着空气流动方向,气体扩散层的接触面积逐渐减小。上游的接触面积大,散热效果好,温度较低,有利于抑制水分蒸发,防止空气入口发生膜干,同时这样的设计造成上下游的温度差异也有利于水在阳极和阴极之间相互渗透 [17]。 3D 细网格流场还可以采取改进措施以减弱入口空气湍流强度,从而缓解空气入口膜干 [18]。采用 3D 细网格流场的单片厚度(d_cell)为 1.34 mm,比采用传统流场的单片厚度小 20%。

  MIRAI 阳极的极板集成了氢气流道和冷却液流道 [6],氢气流道的间距比 FCHV-adv 窄,同时流道的岸部也更陡,与气体扩散层的接触面积更大,如图 5 所示。

  更密的流道使得极板与气体扩散层之间的压力分布更加均匀,增加了整个单片的电导率。此外,该设计有利于降低气体流动阻力。由于电堆被压紧时气体扩散层一部分被极板肋部压紧,气体扩散层未被压紧的部分将在流道中形成一个凸起,这将减小气体流通截面积,而更密的流道和与气体扩散层更大的接触面积有利于缓解流通截面积的损失 [19]。

  由于阴极采用了 3D 细网格流场代替了传统的深沟道直流场、阳极采用了密流道氢气/冷却液集成流场,以及更高的电流密度,燃料电池单片的体积减小了 24%。此外,将双极板材料从不锈钢改成钛,单片的质量降低了 39%[6]。FCHV-adv 的双极板为了提高抗腐蚀性能和降低接触电阻,其表面处理采用的是镀金工艺。采取钛基双极板之后,抗腐蚀性能已满足要求,因此丰田采用无定型碳纳米涂层对其进行表面处理,以降低接触内阻。该举措进一步降低了电堆的成本 [20]。

  FCHV-adv 的燃料电池电堆采用弹簧以恒定压紧力压紧多个单片以保证密封,但 MIRAI 采用的压紧结构是固定尺寸的,压紧力由内部单片弹性变形特性提供,如图 6 所示。

  MIRAI 电堆采用了铝铸外壳,并改进了结构强度,减少了压紧件。整个电堆的体积从 64L 降低到 37L,质量从 108kg 减轻到 56kg [6]。

  丰田采用的升压 DC/DC 为水冷四相 DC/DC,该DC/DC在输入端省略了传统 BOOST 电路中的稳压电容,因为燃料电池本身即存在电容特性。丰田为优化升压 DC/DC 的效率,在不同功率下驱动不同数量的相,在低功率时仅使用单相 IGBT 驱动,在高功率时采用四相 IGBT 交替驱动,通过该措施在输出功率为 15kW 时能够将功率损失降低 10%,如图 7 所示。

  此外,在升压 DC/DC 与车身的连接处采用橡胶垫,将传递到车身的振动降低了 30dB。同时,IGBT 的导通频率将在一定范围内随机变化,这将振动强度进一步降低了 7dB [10]。

  电堆中的水含量影响燃料电池系统输出功率以及低温冷启动性能,是燃料电池系统的主要参数之一[21]。

  丰田燃料电池系统通过 DC/DC 在直流负载上叠加一个交流负载,在线测量交流阻抗从而估计水含量。负载电流波动为正弦信号,频率 0.02~1.00 kHz,振幅控制在直流分量的 10% 以下 [22]。通过测量不同频率下燃料电池各单片的交流阻抗,可以计算出燃料电池阻抗谱上表征燃料电池状态的几个特征参数,分别是质子传导阻抗和气体反应阻抗。其中,质子传导阻抗与膜的含水量直接相关,而通过气体反应阻抗可以计算出气体扩散阻力,这可以作为判断膜干和水淹的重要依据 [21-22]。

  当检测出燃料电池膜干时,系统控制背压阀增大阴极压力以减小阴极空气流量,从而降低阴极排水量;当检测出水淹时,系统控制背压阀减小阴极压力以增大空气流量,从而增大阴极排水量。当燃料电池在一段时间的高功率输出后转为低功率运行,此时燃料电池内部温度较高,阴极空气带走的水比产生的水多,容易发生严重膜干。此时防膜干控制模式启动,系统将阴极空气压力控制在许用的最大值,将空气流量控制在许用的最小值,并通过冷却水降低电堆温度,以防止燃料电池发生严重膜干。

  在冰点以下的低温环境下,燃料电池必须在关机时严格控制吹扫过程,以保证在下次开机时能够成功冷启动。关机吹扫不足,将会造成残余水分过多,下次开机时产生的水分不能及时被加热,导致结冰造成启动失败。甚至在存放过程中残余水分结冰刺穿膜造成电堆损坏。同时,关机吹扫过度,将会在下一次开机时影响膜的质子传导率,从而造成燃料电池初始最大功率下降。

  因此,关机吹扫需要将燃料电池内部的残余水含量控制在一定范围内,而具体的实现方法就是在关机吹扫过程中监控燃料电池阻抗,当阻抗达到一定值时便停止吹扫 [21]。而在冷启动过程中,燃料电池系统通过 DC/DC 对燃料电池施加大电流负载,同时限制空气供给,以维持低电压水平,使燃料电池工作在低效率区域。此时,燃料电池将氢能大部分转化为热能,从而实现迅速加热 [7-8]。

  高压储氢系统包括高压氢瓶、安全阀、氢气高压阀、氢气减压阀、氢气温度传感器、氢气压力传感器、氢气管路、高压接头等。

  MIRAI 搭载的氢瓶直径比 FCHV-adv 大,但数量从 4 个减少到了 2 个,而且形状更加有利于在轿车地板下的布置,如图 8 所示。

  由于高压氢瓶占据了整个高压储氢系统的大部分质量,丰田全面改进了高压氢瓶的设计。高压氢瓶的结构如图 9 所示,其最内层为塑料内衬,用于密封氢气。内衬外为碳纤维增强树脂层(Carbon Fiber Reinforced Plastic,CFRP),用以承受高气压。

  碳纤维增强塑料层之外是玻璃纤维强化树脂层(Glass Fiber Reinforced Plastic,GFRP),用以承受冲击。最外层是含有膨胀石墨的耐火聚氨酯保护层和防跌落的耐冲击聚氨酯保护层。塑料内存的两侧为铝制凸台,其中一个凸台安装了氢气高压阀。碳纤维增强塑料层为叠层结构,一般包含三种缠绕方式:环向缠绕加强储罐的中央区域,小角度螺旋缠绕在轴向增强圆顶区域,大角度螺旋缠绕加强上述两个区域的边界,如图 10 所示。

  由于大角度螺旋缠绕有一部分纤维必然缠绕在中央区域,在此处大角度螺旋缠绕与储罐轴线°,未能完全发挥纤维增强的作用。丰田为解决该问题采取了以下措施:

  丰田通过这些措施取消了大角度螺旋缠绕,同时提高了环向缠绕纤维的利用率,这使得 CFRP的质量减轻了 20%。同时,丰田优化了凸台的形状,使凸台对 CFRP 层的表面压力减小了 20%,减少了小角度螺旋缠绕纤维。最终,CFRP 的使用量比 FCHV-adv 减少了 40%,使得储氢质量分数提高到 5.7% [23]。

  FCHV-adv 的氢气高压阀和减压阀采用铝制阀体和不锈钢阀芯,以防止发生氢脆。但由于铝合金的硬度较低,与不锈钢接触时容易发生粘附和密封不良,因此 FCHV-adv 采用在铝制阀体中嵌入不锈钢阀套,使不锈钢阀芯与不锈钢阀套接触形成摩擦副,以规避该问题 [24]。而 MIRAI 采用的解决方案是对铝制阀体的摩擦副表面进行阳极氧化处理。

  测试表明在氢气气氛中经过该表面处理的铝制阀体能够保证稳定的摩檫学特性 [23]。通过该措施,丰田取消了不锈钢阀套,减少了阀件质量。同时,丰田改进了阀组结构以减少部件数量,最终阀的质量减轻了 25%,部件数量减少了 35% [23]。

  丰田对氢气减压阀的密封部件进行了重新设计,改进了密封材料的形状,同时优化了活塞形状,改善了氢气减压阀的瞬态特性和滞回特性 [23]。

  在 2008 年,大部分加氢站都只能将氢气预冷到-20℃,因此 FCHV-adv 需要大约 10min 加氢。此外,由于车与站之间的通讯协议不匹配,导致加氢只能加到最大容量的 90%。

  但随着符合 SAE J2601 标准的加氢站进入市场,这些加氢站能够将氢气预冷到-40℃,这使得加氢时间缩短到约 3 min,同时通过车/站通讯确保加氢接近最大容量的 95%[23,25]。

  为了通过车/站通讯使氢气尽量加满,高压储氢系统对加氢量的准确估计至关重要。对气体加注来说,加注量估计通常需要在加注过程中对压力和温度进行修正。而且气瓶的设计应尽量将加注过程中气瓶内的温度分布不均降到最低,温度测点处的温度应尽可能接均温度。图 11 对比了气瓶内不同喷枪方向 (θ)和传感器位置 (L)这 2 个参数对加氢量的影响。

  图 11 加氢量与喷枪方向 (θ) 与温度传感器位置 (L) 的关系 [23]

  对比 FCHV-adv,MIRAI 燃料电池轿车采用了更小型更高性能的燃料电池电堆,并通过内部加湿取消了外部增湿器,采用新开发的升压 DC/DC 使得燃料电池的片数更少,且可以沿用已量产的混合动力部件,高压氢瓶个数从 4 个减少到了 2 个,并且具有更高的质量分数。

  这些改进为该燃料电池轿车带来了加速性能、续航能力、环境适应性、耐久性、成本等多方面的提升。丰田在动力系统构型、燃料电池电堆组件、高压储氢系统等方面采用的创新技术对燃料电池研究具有借鉴意义。