氢燃料电池技术应用与分析

随着技术不断进步，成本进一步降低，基础设施逐渐完善，氢燃料电池技术开始大规模推广应用。氢燃料技术的快速发展，缓解了环境污染现状，也给能源行业及汽车企业带来新的挑战和机遇。相关企业可在氢气供应、加油/充电/加氢一体化运营以及汽车轻量化材料开发方面适时介入新能源汽车产业链，实现产业链的转型与调整。

1 氢燃料电池汽车（HFCEV）配置及控制策略研究[1]

氢燃料电池车辆需要燃料电池、电池组、超级电容器、控制器和智能控制单元及其控制策略。Hames通过比较现有关于燃油经济性的控制策略，提出了安全、低成本和高效率的最佳氢燃料电池汽车配置和控制策略。

氢燃料电池的设计取代了传统的内燃机，通常，氢燃料电池是环境友好型技术，将进入的氢转化为电并且有助于能源再生，是具有高能效和低排放的新型能源，除此之外，却存在功率密度低和功率响应慢的问题。为解决这一缺点，可将超级电容器（SCAP）和电池（BAT）、储能系统与燃料电池（FC）一起使用，即需要稳健的控制策略。

图1 氢燃料电池车辆配置示意图[1]

在图1所示配置中，控制机制由FC、BAT、SCAP、DC/DC转换器和逆变器组成。此外，该车辆由三相牵引电动机、辅助装置、DC总线和储能系统组成，车辆所需的动力-能量变化和平衡由所有这些元素的稳定功能提供，同时应确定控制策略以防止对系统造成损害。HFCEV的主要能源是FC，FC转换器用作将FC连接到DC总线的中间层，维持BAT的电压调节。当燃料电池的功率（PFC）不足时，电池为DC总线和FC产生额外的电力。操作BAT转换器以保持SCAP的电压调节，SCAP控制直流母线电压，并产生FC和BAT无法产生的特定功率，以提供车辆的突然功率需求。逆变器可为牵引电机产生任何所需的输出电压，并控制FC-BAT-SCAP的输出。

为在车辆中提供能量管理，目前已经开发并实施应用了多种控制器，其中最常见的控制器有以下四种：

（1）峰值电源策略（PPSS）

（2）运行模式控制策略（OMCS）

（3）模糊逻辑控制策略（FLCS）

（4）等效氢消费最小化战略（ECMS）

对比分析各种控制器的优缺点，应该建立安全、低成本和高效的控制策略，以加强未来的运作。最重要的是，必须使燃料经济性方面的氢消耗最小化，为未来的“绿色能源”和“氢能经济”做出巨大贡献。

2 氢燃料电池的燃料优化策略[2]

电池电动汽车和氢燃料电动汽车的技术进步改变了未来汽车的发展前景。然而，在电力/氢气技术障碍没有被拆除之前，两种动力架构都没有机会完全引入到车辆市场中。文中提出了一种基于当前化石燃料作为增程器的动力总成结构概念设计，将其作为增程器改成氢燃料电池堆系统，并探讨在规划燃料消耗/选择时，如何通过融入遗传算法的优化技术实现关键性的助力作用。作者的目标是强调采用这种动力系统的可能性及对其适当的管理，使氢燃料成为当今汽车领域内可行的能源载体。

燃料管理系统（FMS）模型包括管理电池中存储的电力和燃料电池堆的氢消耗。开发的FMS的基本工作如下：电力需求来自电动机模型；转换器根据电池瞬时工作电压调整需求，并将其转换为电流需求；FMS决定电池的消耗是否需要来自燃料电池堆系统的能量。车辆的燃料消耗如图2所示。

FMS决定何时应该启动燃料电池和供应的能量。如图2所示，当SoC达到其最低允许安全值30%时，FCRES为电池提供充电所需的电力，但有两种不同的方式：

增加电池SoC：通过增程器使用指定电流值为电池供电，以避免电池低于其临界极限（20%SoC）停车，FMS在达到80%的SoC时断开燃料电池增程器系统，为可能的能量恢复提供余量；还可以通过使用制动系统来调节再生制动电荷，当SoC达到上限时，液压制动系统接管制动需求而避免电池过充。

图2 燃料消耗流程图[2]

维持电池SoC：通过增程器系统使用最佳瞬时电流值为电池供电，以保护电池低于其临界极限并最大限度地减少氢气消耗。在这种情况下，系统必须在25%至35%SoC限制之间维持电池工作。

综上所述，本文通过应用不同的测试来研究不同能量管理策略的范围和燃料消耗量，基于遗传算法来实现氢燃料电池配有增程器车辆的燃料优化。

3 氢燃料电池技术对中重型卡车的影响[3]

本研究基于车辆动态模拟和来自真实世界车辆测试数据研究，进行了氢能燃料电池电动卡车（FCET）及就传统柴油卡车在能源使用和排放物方面进行全面和最新的生命周期比较。

图3 氢燃料VS.传统柴油[3]

如上图反映的，对于集中式蒸汽甲烷重整（SMR）途径，与其柴油相比，氢FCET使生命周期或Well-To-Wheel（WTW）石油能量使用减少了98%以上。气态氢（G.H2）FCET的WTW空气排放减少温室气体为20%至45%，VOC为37-65%，CO为49-77%，NOx为62-83%，PM10为19-43%，PM2.5为27-44%，具体值取决于车辆重量等级和卡车类型。FCET产生比柴油发电机组更多的WTW SOx排放，主要是因为氢气压缩/液化用电过程的排放。

从传统柴油转换为FCET将减少化石燃料消耗生命周期、温室气体排放和空气污染物排放。与传统的柴油卡车相比，氢FCET几乎可以消除每辆车的石油能耗。在制动热效率方面，FCET的优势仍然显著。此外，基于可再生能源的氢燃料生产技术（如太阳能电解）可以大大提高FCET的整体效益，远远超过非电动能源——柴油。

为进一步推进FCET的生命周期研究，可以进行更深一步的改进。

首先，本研究采用了最新的EPA/NHTSA测试循环和复合燃料消耗估算方法，由于中型和重型车辆非常多样化类型和应用，可考虑更多不同的工作循环或运行条件；

其次，除了与传统柴油卡车的比较之外，可以将其他技术（例如生物柴油、柴油混合电动和压缩天然气）与FCET进行比较；

第三，与传统柴油卡车的非电动先进车辆技术相比，可评估CAP(GHGs and criteria air pollutant)排放对能源使用和温室气体排放的影响；

第四，需要结合其他氢途径的更全面的分析；第五，需要进一步调查，以评估FCET对空气质量改善的好处。

4 全球技术法规中氢燃料电池汽车的氢监测[4]

NREL和JRC传感器实验室完成了两项与GTR第5.2节中规定的氢气监测要求相关的研究，以确定车辆碰撞试验后的燃料系统完整性。该研究的主要结论包括：

-TC传感器兼容氢和氦测量；

-合理布置的TC传感器与车辆碰撞测试兼容，并具有GTR所要求的计量性能规范；

-如果在车厢内积聚达到了不安全的氢气水平，建议在车辆碰撞试验期间以及随后的1小时保持时间内实时接触传感器输出（例如通过遥测）。

以上工作表明，商业上有效的传感器技术可用于验证是否符合GTR要求。研究过程的发现可供DOT使用，因此也可供GTR委员会和氢能工业使用。碰撞试验之后，一种可验证燃油系统完整性的手段得到证实，同时燃料电池电动车（FCEV）废气分析仪正在处于开发过程中，而且已确定一个低成本传感器用在这台分析仪上。

5 直接氢燃料电池汽车成本分析[5]

直接氢燃料电池电动汽车（FCEV）产物仅有水，消除了含碳量较高的尾气和与内燃机车辆（ICEV）相关的空气污染物排放。然而，为了实现与ICEV的经济持平，降低系统成本是必须克服的技术难关。前期调查表明，美国大约有3 000辆氢质子交换膜（PEM）燃料电池轻型汽车，预测未来几年这些车辆的数量将显著增加。电池电动汽车和FC电动汽车中重复部件（电池和FC堆栈）的使用使得高容量、高利用率的生产线成为可能，且年产量（10万辆/年）低于ICEV（50万辆/年）。因此，显示两种费率的成本，可便于与其它电动车辆和ICEV进行更直接的比较。

为了透明且全面地估算PEM燃料电池电力系统的制造和组装成本以识别成本驱动因素，Simon使用四步方法：

和谐是一种完美，是自然界、人类社会、人类思维存在的最理想状态。“凡是美的都是和谐的和比例合度的，凡是比例和谐的和比例合度的就是真的，凡是既美又真的也就在结果上是愉快的和善的。”这段话揭示出和谐与真、善、美的关系。教学的最终目的是使学生的基本素质和个性品质得到全面、充分、和谐的发展。

（1）系统概念设计

如图4中的系统示意图所示，包括空气回路、燃料回路和高（HTL）、低温液体（LTL）冷却剂回路，其中，氢气储存罐和阀门（用虚线标注）不包括在成本分析中；

（2）系统物理设计

基于物理设计创建物料清单，包括子系统、组件、材料、制造和装配过程、尺寸和其他关键信息的定义；

（3）建立成本模型

主要使用制造设计和装配，用于估算FC电力系统的制造和装配成本；

（4）持续评估降低成本

从模拟的2017年FC系统的结果中，发现催化剂层和双极板仍然是成本的两大贡献因素，因此是实现降低成本所关注的焦点。研究发现，最有可能成功降低双极板成本的措施是：

（1）更快的加工速度，每年生产500,000个系统，并且不需要太多平行生产线；

图4 LDV汽车燃料电池系统[5]

（2）新材料，目前的双极板材料成本（没有加工）超过了双极板的DOE成本目标，开发新材料是降低成本的另一实现形式。

此外，支持DFMA®分析的假设和方法是针对目前以低生产率制造的现实技术（丰田Mirai内的燃料电池系统）的类似分析进行测试的。总体而言，该分析继续为燃料电池组件的战略发展提供指导，未来会更多致力于将单个组件和材料耐久性的信息纳入模型，实现真实系统的快速升级。