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中汽研 | 燃料電池對標(biāo)技術(shù)解析

2020-04-24 23:19:14·  來源：電動學(xué)堂  
　
作者單位：中國汽車技術(shù)研究中心有限公司DOI:DOI:10.15917/j.cnki.1006-3331.2019.06.019我國目前主要以電-電混合的增程式燃料電池動力系統(tǒng)為主，燃料電池的功率
作者單位：中國汽車技術(shù)研究中心有限公司
DOI:DOI:10.15917/j.cnki.1006-3331.2019.06.019
 
我國目前主要以電-電混合的增程式燃料電池動力系統(tǒng)為主，燃料電池的功率輸出較小，還面臨許多卡脖子的技術(shù)，如在燃料電池冷啟動能力、燃料電池系統(tǒng)的控制策略、燃料電池堆的體積功率密度、高速無油空壓機(jī)產(chǎn)業(yè)化技術(shù)等多方面?國際上先進(jìn)的燃料電池國家和企業(yè)，其基礎(chǔ)設(shè)施和法律法規(guī)目前都趨于完善，在技術(shù)上也較成熟，但并沒有好的市場；而國內(nèi)恰好相反，國家政策的支持和行業(yè)的引導(dǎo)使其有很好的市場（趨勢），但是在氫能產(chǎn)業(yè)鏈、安全生產(chǎn)、關(guān)鍵技術(shù)方面與國外還有不小差距?
 
本文通過對比國內(nèi)外的燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，以及國內(nèi)外先進(jìn)燃料電池的測試數(shù)據(jù)，對影響燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行解析，為燃料電池的技術(shù)提升提供參考?
 
1標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對比
 
目前，針對燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系國內(nèi)外有明顯的不同，中國的法規(guī)是依據(jù)國情進(jìn)行自主判定，而國外大部分法規(guī)是根據(jù)協(xié)定國的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行共同制定，如日本、韓國、美國等協(xié)定國進(jìn)行商定，共同制定歐標(biāo)、美標(biāo)等?我國標(biāo)準(zhǔn)體系分為整車級標(biāo)準(zhǔn)和部件級標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)體系正在完善中?國際上只有整車級標(biāo)準(zhǔn)，沒有部件級標(biāo)準(zhǔn)?
 
燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系中最注重整車氫安全，國內(nèi)主要依據(jù)GB/T24549—2009進(jìn)行法規(guī)認(rèn)證，國際主要依據(jù)GTR13和UNR134，GTR13與UNR134除歸屬不同外，其內(nèi)容完全相關(guān)?國內(nèi)外主要有以下幾點不同:第一，GB/T24549—2009中主要是包含整車的功能安全、氫安全和電安全，而國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13和UNR134大部分的測評研究集中在氣瓶本身；第二，國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13和UNR134中針對氫安全的測評內(nèi)容更加詳細(xì)，包括車內(nèi)的供氫氫氣傳感器的測評，車內(nèi)氫氣濃度的測評等?我國關(guān)于整車級的其他性能方面的標(biāo)準(zhǔn)，如燃料消耗量、續(xù)駛里程測量等，都在相繼的制定中，暫時沒有標(biāo)準(zhǔn)出臺?
 
部件的測評目前采用的標(biāo)準(zhǔn)有加氫口（GB/T26779—2011）、車載氫系統(tǒng)（GB/T26990—2011）、燃料電池系統(tǒng)（GB/T24554—2009）等，都是強(qiáng)制執(zhí)行的推薦性標(biāo)準(zhǔn)；針對車用氫氣瓶，采用GB/T35544—2017進(jìn)行產(chǎn)品認(rèn)證，包括對氣瓶的常規(guī)試驗和耐久試驗，如火燒試驗，溫度壓力循環(huán)試驗，環(huán)境試驗等?而國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13和UNR134將這部分內(nèi)容與整車氫安全放到了一個標(biāo)準(zhǔn)中?
 
為了使燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)全球統(tǒng)一化，我國在修訂GB/T24549—2009的過程中也參考了國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13?標(biāo)準(zhǔn)的制定與行業(yè)的發(fā)展不匹配是目前制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的重要因素，我國也積極參與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，加快燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系的搭建?
 
2關(guān)鍵技術(shù)對比
2.1國內(nèi)外技術(shù)水平狀況
 
針對燃料電池部件級的檢測，最重要的是對燃料電池系統(tǒng)的性能檢測?國內(nèi)對燃料電池系統(tǒng)的檢測按照GB/T24554—2009進(jìn)行?部分國內(nèi)先進(jìn)的燃料電池測試結(jié)果見表1?在功率方面，已經(jīng)由原來補貼要求的30kW上升到40kW及以上的水平；在啟動的時間上也有很大程度的減少，目前已能夠達(dá)到在5s內(nèi)完成啟動的技術(shù)水平；冷啟動方面也能夠達(dá)到-10℃甚至是-20℃的能力；效率方面，在功率密度方面還有待于繼續(xù)提高?
在國際方面，以豐田、本田、現(xiàn)代為首的燃料電池系統(tǒng)屬于國際一流水平，功率均在100kW以上，在壽命和冷啟動等關(guān)鍵參數(shù)上也能夠滿足乘用車商用化的需求，部分國際先進(jìn)燃料電池指標(biāo)參數(shù)見表2?
 
可以看到，在系統(tǒng)層級的技術(shù)上雖然已經(jīng)有極大的提升，但是在許多關(guān)鍵技術(shù)上還與國外有一定的差距，如冷啟動的能力、系統(tǒng)的控制集成能力及水管理和熱管理能力?
 
2.2冷啟動技術(shù)
低溫冷啟動一直是燃料電池汽車廠家不斷追求的技術(shù)?我國目前沒有針對燃料電池整車和關(guān)鍵部件的低溫冷啟動測試標(biāo)準(zhǔn)要求，正在修訂的GB/T24554—2009中會修改燃料電池發(fā)動機(jī)在低溫下的啟動要求?現(xiàn)階段，對于質(zhì)子交換膜燃料電池在無外援輔助的情況下進(jìn)行低溫冷啟動較困難，大部分都是采用外部輔助的方法，如保溫法、加熱法和吹掃法?
 
豐田燃料電池汽車Mirai具備-30℃低溫冷啟動的能力，主要采用吹掃的模式，對內(nèi)部的水含量進(jìn)行嚴(yán)格的監(jiān)控和把關(guān)?具體的水控制邏輯為系統(tǒng)啟動-快速暖機(jī)-水含量控制-關(guān)機(jī)吹掃-停機(jī)吹掃，通過這幾個步驟對內(nèi)部的水含量進(jìn)行嚴(yán)格控制?
 
Ballard公司采用保溫法提升燃料電池冷啟動的能力，其型號1100燃料電池模塊能夠在無外援的情況下在-15℃進(jìn)行啟動?其主要的方法是利用電堆中安裝的保溫箱將冷卻水溫度保存下來，下次啟動時利用保存的溫度進(jìn)行加熱?
 
國內(nèi)大部分燃料電池系統(tǒng)還是采用吹掃和保溫的方法，在進(jìn)入環(huán)境艙進(jìn)行低溫測試之前，保證內(nèi)部的水完全吹干，在進(jìn)行12h的冷凍后，通過外部熱源加熱進(jìn)行低溫啟動，目前一般能夠達(dá)到-15℃的水平，但時間較長?
2.3集成技術(shù)
 
燃料電池發(fā)動機(jī)一直在與傳動發(fā)動機(jī)進(jìn)行對比，其小型化和能量密度一直是各大車企追求的目標(biāo)?為了更好地解析燃料電池系統(tǒng)的集成技術(shù)，需要先了解其包含的主要零部件?燃料電池系統(tǒng)主要包括空氣供應(yīng)、氫氣供應(yīng)和熱管理等系統(tǒng)?空氣供給系統(tǒng)主要包含空壓機(jī)、過濾器、空氣截止閥和背壓閥等?氫氣供給系統(tǒng)的主要零部件有氫氣循環(huán)泵、隱射器、氫氣截止閥、吹掃閥、排水閥等?熱管理系統(tǒng)主要包含水泵、散熱器、加熱器和雙向閥等?為了提高集成度，燃料電池系統(tǒng)在設(shè)計之初就要將其考慮在內(nèi)?如韓國現(xiàn)代汽車公司開發(fā)的NEXO燃料電池系統(tǒng)（圖1），與傳統(tǒng)的發(fā)動機(jī)外觀極其相似，為了使體積做到更小，其主要采用以下幾種措施:一是采用了全新的熱管理系統(tǒng)，利用雙向閥門和四向閥門改善電堆制冷劑的溫度控制的響應(yīng)性；二是在空氣控制系統(tǒng)一側(cè)，空氣進(jìn)氣閥和空氣出氣閥集成為一個小的零部件；三是氫氣循環(huán)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的循環(huán)方式變成引射器模式，大大減小了體積?
 
本田汽車公司對Clarity也進(jìn)行了小型化的研究，其質(zhì)量功率密度居于世界領(lǐng)先水平?其小型化的設(shè)計原則是降低零部件的體積，提高能量的利用回收率:首先是通過取消電池的隔離橡膠來減少燃料電池堆的尺寸，同時保證了燃料電池內(nèi)部不會被腐蝕；其次是通過調(diào)節(jié)冷卻劑的電導(dǎo)率和冷卻泵的體積，改變冷卻系統(tǒng)管道長度等方法，成功地將冷卻系統(tǒng)的體積減小20%?
 
3結(jié)束語
面對目前在燃料電池技術(shù)水平上的差距，本文分析了影響燃料電池汽車性能的幾點關(guān)鍵因素，包括冷啟動能力、系統(tǒng)的集成度以及國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)政策等方面，并對國外先進(jìn)的燃料電池整車及零部件進(jìn)行了對標(biāo)分析?
 
 
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