燃料電池汽車的核心技術

近年來，由於地球溫室效（xiào）應日益加劇，石油資源也在日（rì）漸枯竭（jié），能源安全(尤指穩定供應能源等)問題得以不斷凸（tū）顯（xiǎn），運（yùn）行（háng）中不產生CO 2的新能源汽車（chē）逐漸引起了廣泛關（guān）注（zhù）。豐田公司於近期設立了“CO 2零排放目標”，並提出到2050年，提高（gāo）新（xīn）能源汽車（chē）的銷（xiāo）售比例，目前正（zhèng）在對此開展相關研究(圖1)。

圖1 豐田公司2050年的車型生產目標（biāo）

FCV具有以下特（tè）點：(1)以氫（qīng）氣作為（wéi）燃料，氫氣（qì）可通過化石燃料在內（nèi）的多種能（néng）源進行製取，來源廣泛；(2)行駛中的排放物隻有水；(3)由於主要驅動裝置是電機，所以可充分兼顧靜音（yīn）性（xìng）與良好的行（háng）駛性能（néng）；(4)具有較短（duǎn）的燃料填充時間，同時能確保與內燃機汽車相近的續航裏程（chéng）。目前，社會各界正迫切希望該類環保車型（xíng）得以實（shí）用（yòng）化。考慮到FCV的諸多優點，研究人員認為（wéi）FCV同樣也可滿足中長（zhǎng）距（jù）離的運輸需求(圖2)。豐田公（gōng）司於2014年在世界範圍內（nèi）首開先河（hé），上市銷（xiāo）售了量產型FCV“MIRAI(參數（shù）|圖片)”車型（xíng）。此外，豐田公司於2018年上市銷售了沿用了該燃料電池係（xì）統的新型（xíng）燃料電池城市客車“SORA”(圖3)，而且針對輕型貨車的驗（yàn）證評（píng）審也正在逐步開展中(圖4)。

圖2 相關車型和行駛裏（lǐ）程分布示（shì）意圖

圖3 新型燃料電池城市客車“SORA”

圖4 用於8級驗（yàn）證的貨車（chē）(針對美國市場)

1 豐田公司燃料電池係統

豐田公（gōng）司將混合動力（lì）技術定位（wèi）成新能源（yuán）汽車的核心技術，將混合動力（lì）係統的發動機（jī）替換為燃（rán）料電（diàn）池係統，將燃油箱替換（huàn）為豐田公司的燃料電池係（xì）統(TFCS)(圖（tú）5)。

圖5 HV、PHV、EV、FCV動力係（xì）統

燃料電池係統由進（jìn）行發電的燃料電池堆（duī）、供應氫燃料的氫氣係統、供應氧氣的空氣係（xì）統，以及冷卻係統所構成(圖6)[1]。燃料電池堆發出的電能通過燃（rán）料電池升壓轉換器向主驅（qū）動電機及高電壓蓄電池等高壓係統供電(圖7)[2]。就對（duì）燃料電池堆發電有著重要（yào）影響的（de）電解質傳導性而言，其靈敏度會隨著附近環境的相對濕度而發生（shēng）顯著變化。不僅如此，反應過程（chéng）中生成的水會影響到燃料電池堆內（nèi）的燃料（liào）供（gòng）應過程，因而對生成水的管理可謂至（zhì）關重要。本文論（lùn）述了基於（yú）燃料電池堆水管（guǎn）理而進行的相關設計與係統控製。

圖6 燃料（liào）電池係統示意圖[1]

圖7 高電壓係（xì）統示意圖[2]

2 燃料電池堆

燃料電池堆通過設計單電池的電極麵積和單電池數量，從而獲得所（suǒ）需的電能。在通常情況下，單電池由作為氫氣與氧氣反應部位的膜電極總成（chéng）(MEA)、顯微滲透層(MPL)、氣體擴散層(GDL)、用於從外部供應氫氣和空（kōng）氣的氣體通道，以及隔板等部件構（gòu）成(圖8)[3]。

圖8 TFCS的燃料電池組與單電池結構示意（yì）圖

圖9 豐田公司燃料電池堆的功率密度發展趨勢（shì）

豐田公司通過對燃料電池流道及MEA進行改進，使燃料電池係統實現了高密度化。此外，由於對單電池內部彈簧機構的有效應用，簡化了電池的連接構件。同時，由於電池（chí）本身的薄型化，縮小了體積尺寸[4]。而且，隨著隔板材質的調整，電池（chí）全重有效減輕了，使（shǐ）電池具備較高（gāo）的功（gōng）率密度(3.1 kW/L與2.0 kW/kg，圖9)。結果表明，燃料電池電極鉑催化劑（jì）的使用量還（hái）降（jiàng）低了(圖10)。不僅如此，為避免降低接觸阻力並確保（bǎo）耐蝕性，隔板的表麵處理工藝也從電鍍金處理調整為較廉價的聚合非晶碳鍍層(PAC)，從（cóng）而（ér）顯（xiǎn）著降低（dī）了成本[5]。

圖10 單位（wèi）功率的催化（huà）劑鉑用量

2.1 高電流密度化

電池性能（néng）是由理論起（qǐ）動電壓（yā）的損失(超電（diàn）壓)所決定的。超（chāo）電壓總體可（kě）分為以下3類：源於催化反（fǎn）應（yīng）的“活性化超電壓（yā）”，源於電子、質子移動的“電阻超電壓”和源於（yú）反應過程的“濃（nóng）度超電壓”(圖11)。就聚合物電解質燃料電池(PEFC)而言，由於發電過程中生成的水處於液相狀態（tài），單電池內的氣體（tǐ）擴散受阻會導（dǎo）致濃度超電壓進一步（bù）惡（è）化。另一方麵，在易於形成蒸汽（qì）的高溫區，由於電解質附近（jìn）的相對濕度有所降（jiàng）低，作為質子移動電阻的電阻超電壓也會相應（yīng）增加。通過以（yǐ）上分析，如要實現燃料電（diàn）池的高電流密（mì）度化，針對發電過（guò）程（chéng）中生成的水而開展（zhǎn）的構件設（shè）計及控製是至關重要的，為（wéi）燃料電池水管理技術的核心理念。

圖11 基於燃料電池（chí）性能的超電壓分布示意圖

2.2 降低濃度超電壓

在低溫及普（pǔ）通運轉溫度區，由於（yú）發電而生成的水會滯留於空氣極側的電池流道、GDL、MPL及MEA中（zhōng），從而產生濃度超電壓。在通常情況下（xià），與氣體（tǐ）流道不接觸的GDL及MEA內容易積存液態水。而在豐田的MIRAI車型（xíng）上配裝（zhuāng）的燃料電池堆的單元流道結構，采用了3D細網格狀結構。在優化了氧氣供應並排出液態水（shuǐ）的同時，由於（yú）隔板表（biǎo）麵（miàn）具有一定親水性，將液態（tài）水導向流道表麵，進而降低了濃度超電壓(圖12、圖13)。此外，在GDL內，通過調整碳素纖維與黏合劑的比例以實現最優化。而在（zài）MPL方麵，通過實現碳（tàn）黑顆粒的粗顆粒化而降低透水壓力，使氣體擴散性提高約2倍，進而降低了濃度超電（diàn）壓（yā）。

圖12 普通凹槽流道與3D細網流道

圖13 按照流（liú）道結構（gòu）不同（tóng），比較GDL內的滯留水量

2.3 降低（dī）電阻超電壓

為了確保PEFC中電解質的質子傳導性能，需使電（diàn）解（jiě）質周圍環境（jìng）保持濕潤狀態。在常規的燃料電池係統中，通過加（jiā）濕器可排出反應中（zhōng）生成的水（shuǐ），將其返回（huí）燃料電池堆並進行加濕處（chù）理。配裝在MIRAI車型上的TFCS，可通（tōng）過（guò）結構簡化以提高可靠性。豐田公司以（yǐ）降低成本為目標（biāo），取消了該類（lèi）加濕器，基（jī）於自加濕理念而對各個（gè）構件進行設計，由此實（shí）現了（le）與以往相似（sì）的高溫性能(圖14)。自加濕的工作機理是在幹燥的空氣入口（kǒu）處通過氫氣極對空氣進行加濕。該設計方式不僅兼（jiān）顧了各個構件，而且與冷卻水流量及（jí）氫循環泵流量等係統實現了有機結合。

圖14 自加濕概念示意圖

燃料電池在高（gāo）溫狀態下運轉時，空氣極入口濕（shī）度會相（xiàng）對較低。在MEA內部的催化劑附近，質子傳導性會逐漸惡化，進而會使電阻超電壓（yā）有所（suǒ）增加。在外（wài）觀上，催化劑有效表（biǎo）麵積減少，使燃料電池性能惡（è）化。通過增加包覆催化劑電解質官能團的方（fāng）式，以確保催（cuī）化劑有效表麵積的不變。在提高質子傳導性的同時，通（tōng）過電解（jiě）質/載（zǎi）體碳比率的最佳化及催化劑載體碳的實心化，即使在低（dī）濕度環境下，也能有效增（zēng）加催化劑的表麵積。同時，通過該（gāi）措施還實現了單（dān）電池流道形狀的最佳化，有效（xiào）抑製了空（kōng）氣極（jí）入口處的幹燥趨向。除了針對上述構件的設計過程外（wài），由於係統自身運轉（zhuǎn）條件（jiàn）得以最（zuì）佳化，即便在高溫環境下，單電池的發電過程也可處於穩（wěn）定運（yùn）行狀態（tài），從而將超電壓的發生（shēng）可能性控製在最小限度以內(圖15、圖16)[6]。

圖15 基於相對濕度的催（cuī）化劑利用率對比

圖16 采取對策前後的發（fā）電分布情況

另一方麵，由於（yú）燃料電池在低濕度條件下進行發電會出現遊離基濃縮現象（xiàng），導致電解質化學性（xìng）能逐（zhú）步老化。同時，由於薄膜化會引起機械特性降低，進而導致薄膜裂紋等問題。研究人員（yuán）采取的對策包括向（xiàng）電極添加遊離基淬滅材料（liào），降（jiàng）低鐵離子汙染，以及利用3D細網流道使電極表麵壓力均勻化，以此（cǐ）確保了其耐久性能(圖17)。

圖17 氟化物排放率示意（yì）圖

3 燃料電池堆的水管理控（kòng）製

為使（shǐ）燃料電池堆的發電性能時常保持在最佳狀（zhuàng）態，研究人（rén）員根據交流阻（zǔ）抗法，並通過車載裝置計測了MEA構件的電阻，進而對燃料電池的運（yùn）轉（zhuǎn）條件進行調整。

3.1 基於交流阻抗法的含水量計測

圖（tú）18示出了常規燃（rán）料電池的等效電路[7]。圖中 Rohm為電解質膜的電阻， Rvoid為GDL的電阻， Rion為電（diàn）解質的電阻。這些電阻會隨著（zhe）含（hán）水率的不同而發生（shēng）變化。在處於適度的濕潤狀態時，各部位電阻（zǔ）值均保持在較低（dī）狀態。在冷卻過程中，由於GDL內部液態水（shuǐ）大量存在，導致擴散阻力有所（suǒ）增加，所以 Rvoid值會相應（yīng）增大。相反，在高（gāo）溫運轉時等含水率較低的狀（zhuàng）態下， Rohm和 Rion會（huì）有所增大，並產生電阻超電壓。

圖18 燃料電池等效電路

燃（rán）料電（diàn）池升壓轉換器(圖7)的直（zhí）流指令（lìng）電流值（zhí）是通過重疊高頻與低頻的2種（zhǒng）正弦波電流（liú）值而進行計測的（de）。 Rohm是通過高頻正弦波重疊電流計測的阻抗值（zhí）(HFR)而計算得出的。另一方麵， Rvoid是根據LFR，再針（zhēn）對 Rohm及 Rion進行計算而得出的。

3.2 燃料電池堆的自加濕控製

TFCS在高（gāo）溫（wēn）狀態下運轉時，改變氫氣極的工作條件以進行（háng）水管理。為使（shǐ）水得以有效（xiào）分配到（dào）氫氣極（jí）表（biǎo）麵，根據相關（guān）運轉條件，可通（tōng）過控製氫氣泵以增加氫循（xún）環量。在確保了必要的氫循環量之後，通過降低氫氣極入口壓力的方式，促使氫氣（qì）極表麵的水實現不斷流（liú）動。由於（yú）上述對策的運用，催化劑附近環境（jìng）較為濕潤，即便不采用外（wài）部加（jiā）濕處理，也能有效提高係統運轉時的環境溫度(圖19)[8]。

圖19 通過運轉條件的最佳化以提高係統運轉（zhuǎn）溫度（dù）

3.3 燃料（liào）電池高溫運轉時的水管理（lǐ）控製

圖20 進行水管理控製時車輛高速爬坡狀（zhuàng）態下的（de）燃料電池堆特性曲線

以計測方式得出的（de）阻抗值為基礎，控製MIRAI車型氫（qīng）氣泵流量（liàng）、燃料電池水溫等參數，由此進行水管理。圖（tú）20表示進行水管（guǎn）理控製時（shí）車輛在較陡坡道上高速行（háng）駛時的評價結果。圖21則示出了在未進行水管理控製的條件（jiàn）下（xià），車輛在較陡坡道上（shàng）高速行駛時的（de）評價結（jié）果。在進行水管理控製的條（tiáo）件下， Rohm數值（zhí）較為穩定，冷卻水溫度上升情況受到抑製，由此可（kě）以得到燃料（liào）電池堆的輸（shū）出功率。另一（yī）方麵，在（zài）未進行水管理控製的條件下，由於受到（dào）冷卻水溫（wēn）度的影響，阻抗值出（chū）現了較大的變動，同（tóng）時也無法確保（bǎo）同樣的輸出功率。此時，燃料（liào）電（diàn）池堆的電池特性也麵臨著同樣問題，即在（zài）全電流區的阻抗（kàng）值較（jiào）高，無法輸出規定的電壓（yā）。可認為該（gāi）現象是電解質膜等部件（jiàn）的電阻超電壓有（yǒu）所增加的原因之一(圖22)。另外（wài），由於電壓降（jiàng）低，燃料電池堆的發熱（rè）情況也會逐步加劇，進而導致冷卻水溫度上升。該結果表明（míng），電解質及電解質膜的含水率有所降低，導致燃料電池發電特性麵臨著進一步惡化的現象。

圖21 未進行水管理控製時車輛高速爬坡狀態下（xià）的燃料電池堆特性曲線

圖22 按照是否進行水管理的燃料電池（chí）堆特性曲線圖對比

由以上分析可知，水管理控製可使電解質膜等部件（jiàn）處於穩定狀態並得以潤濕，同時改（gǎi）善燃料電池堆的（de）發電特性，並（bìng）能有效抑製冷卻水（shuǐ）溫度的（de）上升。

3.4 0 ℃下起動時的水管理控製

燃料電池係統在0 ℃下起動時麵臨的主要問題是燃料電（diàn）池係統內部（bù）的殘留水及由於發（fā）電（diàn）過（guò）程中生成的（de）水會出現凍結現象（xiàng），無法向MEA及時供應工作所需的氫氣與氧氣。由此麵臨的最惡（è）劣情況即為燃料電池無法正（zhèng）常發電。

圖23示出了（le）在0 ℃環境下的係統控製流程圖。在0 ℃環境下燃料電（diàn）池係統采用的（de）水管理技術理念（niàn）主要（yào）是確（què）保起動時（shí）氣體供（gòng）應係統得以正常運轉。在水（shuǐ）即將（jiāng）凍結時，采（cǎi）用可使燃料電（diàn）池係統升溫到0 ℃以上的“快速暖機”控製係統。

圖23 應對0 ℃環境時的燃（rán）料電池水管理控製流程

3.5 降低含水量控製

通過（guò）測量阻抗值，可以計算出燃（rán）料電池堆發電部位的含水量。GDL內的含水量能充分利用 Rvoid進（jìn）行管理。降低含水量控製（zhì）是在運轉過程中及係統停止運行（háng）時，控製（zhì）冷卻水溫（wēn）度、空氣流量、氫（qīng）氣循環量等參數，並合理調節阻抗值，以便即使在0 ℃以下的環（huán）境內進行起動時，也不會麵對由於氣體擴散所導（dǎo）致的問題，從而使燃料電池實現順利起動(圖24)。

圖24 擴散層含水量與Rvoid的關係（xì）

3.6 快（kuài）速暖機控製

在燃料（liào）電池堆的（de）溫（wēn）度處於0 ℃以下時，發電特性比正常運轉時更低（dī）。同時，由於生成的水逐漸凍結，導致燃料電池堆無法實現持（chí）續（xù）發電(圖25)。因此，當冷起動時的溫度在0 ℃以下時，為了能繼續發電（diàn），須使燃料電池堆的溫度處於0 ℃以上。

燃料電池堆在發電（diàn）時，隨著各類能量損失的（de）出現，會同時出（chū）現發熱現象。燃料電（diàn）池堆處於正常（cháng）運轉工（gōng）況時，須使發熱量處在最小限度內，並高效運轉（zhuǎn）。如（rú）需實現燃料電池堆的快速升溫，應降低反應過程所需的空氣量，進（jìn）而逐漸增大濃度超電壓(圖26)。

圖（tú）25 燃料電池在0 ℃環（huán）境下的發電特性

圖（tú）26 進行快速暖機控製時的工作點

圖27示出了在-15 ℃溫度（dù）環境下的快速暖機控製（zhì）。根據燃料電池溫度（dù）為-15 ℃時（shí）的實際車輛評價結果，從係（xì）統校驗（yàn）後的8 s開始，燃料電池堆即可進行（háng）發電。由（yóu）於一方麵須維持（chí）一定的輸出功率，另一方麵須緩慢地降低電壓，使燃料電（diàn）池堆的發熱量有所（suǒ）增加，最終將燃料電池輸出功（gōng）率控製（zhì）為5～90 kW。此（cǐ）外，目前已確認了燃料（liào）電池堆可在32 s左右的時間內增溫至0 ℃以上。

圖27 -15 ℃以下（xià）的快速暖機控（kòng）製曲線

4 結語

本文以燃料電池（chí）係統的1項核心技術“水管理”為研究對象。運用可（kě）視化及計測技術，實現了定量化處理，將該技術有效運用於燃料電池（chí）堆的設計（jì）與係統控（kòng）製（zhì）過程中。水（shuǐ）管理（lǐ）是燃料電池堆的1項關鍵技術，今後還將依據相關原理，對燃料電池堆的運作機理進行說明，從而推進燃料（liào）電池堆係統的（de）小型化、低成（chéng）本化，以（yǐ）及性能提升等方麵的工作。