燃料电池汽车性能改善措施研究综述

燃料电池汽车日益成为新能源汽车发展的重要组成部分。但是，与传统内燃机汽车相比，仍然有一些不足之处。而且，如果要应用于全球市场还需要对其性能进行进一步研究和改善。下面介绍了几种对燃料电池汽车性能改善的措施。

1　燃料电池电动汽车交错式升压DC-DC变换器的研究[1]

最近，针对高性能应用的多相转换器的拓扑研究得到了广泛的关注。本文对适用于燃料电池电动汽车的三相交错式升压转换器进行了分析和建模。交错式升压转换器（IBC）用于提高输出电压以满足后续应用，例如燃料电池、光伏电池和普通电池。与传统升压转换器相比，交错式升压转换器输入电流纹波更低，效率更高，瞬态响应更快，电磁发射更少，可靠性更高。多相升压拓扑结构指的是具有相同相移和开关频率的多个升压转换器的并联组合。该转换器组合相当于一个小信号交流的电路模型，需要设计合适的控制器来调节输出电压。本文所介绍的DC/DC变换器的拓扑结构及其控制器是通过MATLAB/Simulink软件进行设计和研究的。所提出的转换器（IBC）还在实验室内通过基于DSP1104构建和测试的原型（见图1）获得的结果进行了实验验证。仿真和实验结果表明，所提出的转换器比其他DC/DC转换器拓扑更高效，从而提高了功率DC/DC转换器的性能和可靠性。

图1　燃料电池电动车结构

本文明确提出了一种用于燃料电池电动车辆的交错式三相DC/DC升压转换器系统的分析和模拟。该系统将是未来乘用车电力系统中使用的双电压架构的一部分。另外，DC/DC变换器的实验结果还表明了所提出的模型用于稳态分析、小信号分析和派生模型检验的可行性。本文还引入PI控制器，以改变占空比来调节输出电压。

2　基于短侧链全氟磺酸离聚物的MEA的开发[2]

由可再生能源提供的水电解是用于燃料电池车辆生产“绿色”氢气的最重要的技术。此外，快速遵循间歇负载的能力使得电解成为能源生产和消费供需差异所导致的电网不平衡的理想解决方案。本文提出将新型短侧链（SSC）全氟磺酸（PFSA）膜用来设计用于聚合物电解质膜（PEM）水电解的膜电极组件（MEA），本文还将其装载各种由贵金属组成的阴极和阳极上，并在性能和耐久性方面进行了调查。其主要原理是利用纳米级的Ir0.7Ru0.3Ox固溶体阳极催化剂和负载型Pt/C阴极催化剂与全氟磺化酸膜组合。该类MEA具有优异的稳定性。在低负载情况下，记录MEA的适度降解速率。在3 A·cm-2的负载下进行耐久性测试，并观察到稳定性特征。这些高性能和稳定性特征归因于新型膜的质子传导性和稳定性的提高，Ir和Ru氧化物固溶体的优化结构性质以及阳极催化剂表面上Ir物质的富集也有所贡献。

通过电化学表征和非原位物理化学分析表明，在高电流密度下以及1000小时的耐久性试验之后，MEA在活化区域中出现损失。在阴极和阳极催化剂层也都观察到退化现象。这些现象的产生是由于阴极上的纳米级铂催化剂的烧结以及在催化剂和离聚物之间的界面处的改性而引起的铱基阳极催化剂的氧化态的变化。此外，该MEA的阳极催化剂和全氟化离聚物之间的界面的降解改变了表面上的铱和钌位点的电子构型和路易斯酸性特征，降低了吸附氧物质（氧化反应中间体）的能力，并使吸附的水分子解离。本文还发现在中等催化剂载量（1.6mg·cm-2）中，在较高电流密度下（即，3A·cm-2）的操作仅稍微大于在1A·cm-2时的操作。因此，所提出的MEA可以在非常高的电流密度下进行操作，并且可以降低成本，而不会显着影响电池组的耐用性。

3　一种氢燃料电池电动汽车增程器的动力总成架构研究[3]

新能源汽车能否最终在全球大众市场占据一席之地，甚至取代主导车辆（燃油车）取决于几个重要因素：减少客户焦虑，快速充电技术，更好的充电基础设施，环境司法政策完善等。电池电动汽车和氢燃料电池电动汽车在不久的将来可能是一个有希望的选择。然而，尽管电力和氢气技术难关不断被攻破，但是目前的电力架构都没有满足全面引入市场的要求。本文提出了一种基于目前化石燃料增程器范围的动力总成架构概念（见2），但将其改为氢燃料电池堆栈系统作为里程增程器。旨在探讨如何通过包含遗传算法在内的优化技术来规划氢消耗。本文的主要目的是强调这种动力总成架构及其经营管理的可能性，以使氢能源成为当今汽车行业可行的能源载体。

图2　插电式ERFC-EV动力总成构架和模拟模型

目前大多数电池电动汽车的续驶里程都低于200公里。尽管对于大多数日常驾驶来说已经足够，但相关经验表明，这种方式并不能满足所有客户的期望。另一方面，氢动力汽车续驶能力更高，但由于缺乏可靠的燃料网络供应系统，目前也无法销售使用。因此，电动汽车（氢/电）两种燃料的结合需要新的设计，新的动力总成架构概念将每种技术的弱点单独进行最小化。在这项工作中，基于燃料电池堆的电动汽车与纯电动汽车概念耦合的增程系统动力进行组合，以双能量系统为基础进行了分析。不同的能源管理策略的续驶里程和燃料消耗已经通过不同的测试进行了应用研究，其中就包括通过遗传算法来最小化氢消耗。因此，使用电力和氢动力汽车作为清洁运输工具对于客运问题来说，具有高度的影响力和短期的可行性。

4　二甲醚（DME）蒸汽重整制氢催化剂的反应特性研究[4]

本文研究的主要目的是在没有氢气燃料电池载体的载气情况下，开发用于二甲醚（DME）蒸汽重整（SR）的新型催化剂并且找到用于所述方法的最佳反应条件。通过用丝光沸石（MOR）和氧化铝作为载体，用Ce和Ni添加剂浸渍活性物质Cu来制备蒸汽重整催化剂。采用扫描电镜（SEM）、透射电子显微镜（TEM）、能量色散X射线（EDX）、X射线衍射（XRD），电感耦合等离子体发射光谱仪（ICP-OES）作为实验装置(图3)。催化剂制备成蜂窝状和颗粒状。Cu10MOR10/γ-Al2O3颗粒状催化剂在400摄氏度下的氢收率为80%，高于蜂窝状催化剂在相同实验条件下（50%）的氢收率。作为实验条件中最重要的参数之一的H2O/DME的比例为6时提供了最佳氢产率，而且高于理论比率为3时的空速（SV）值。在300-550摄氏度范围内下，两种形状的催化剂的氢气产量相似，但在400-450摄氏度时，颗粒状催化剂能够观察到更高的DME转化率和更低的CH4产量。向催化剂中加入Ni会抑制烃的沉积，而Ce的添加会增加DME的转化率。最后，发现DME蒸汽转化的最佳催化剂是Cu10Ce4MOR10/γ-Al2O3。H2产生的最佳反应条件为：SV=340h-1，H2O/DME=6，颗粒型催化剂，催化反应温度范围为400-450℃。

图3　实验装备

进一步研究结果总结如下：

1.根据重整催化剂的表征数据，确定了Cu基DME水蒸气重整催化剂中Ce和Ni的最佳添加量为＜14wt%。

2.Cu10MOR10/γ-Al2O3催化剂在 H2O/DME 比为 6时，蜂窝状和颗粒状催化剂的氢收率最高。

3.在相同的反应条件下，Cu10MOR10/γ-Al2O3催化剂的氢收率为50%（蜂窝状）和75%（颗粒状）。因此，得出颗粒形态对DME蒸汽重整反应有利。

5　基于多功率转换器控制的硼氢化钠燃料电池的研究[5]

硼氢化钠（NaBH4）是燃料电池储氢应用中很有潜力的选择，因为它具有非常高的能量密度，并且是一种稳定的物质。其原理是通过粉末状NaBH4水解反应生成氢气。本文提出并开发了用于以粉末状硼氢化钠（STEPS）为燃料的燃料电池（FC）混合动力电动汽车的氢气生成系统。在该系统中，供应给燃料电池堆的氢的压力难以控制。该问题可能导致燃料电池堆的固体聚合物电解质膜损坏或发电电量不平衡。作为解决这个问题的一种方法，本文提出使用由升压和双向斩波器组成的多个功率转换器控制，推导出相应的仿真模型，采用模型预测控制策略，并应用在由硼氢化钠推动的原型车辆上进行测试运行。研究结果表明，所提出的控制方法可以抑制燃料电池堆栈的输出功率的快速变化，可以提高氢压力控制的性能。

图4　FCHEV样车动力系统构型

通过进一步实验，验证了所提出的模型预测控制方法可以抑制加速劣化的频率分量和燃料电池堆叠中的氢消耗的波动。即使逆变器所需的功率急剧变化，氢气压力也能够被调整在安全的压力范围内。另外，假定使用以车辆速度和氢气反应器的反应场温度为参数的推导模型在实际的驾驶模式上进行仿真试验研究，验证了该控制方法可以改善氢气压力的控制。

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[3]ÁLVAREZ FERNÁNDEZ R,CORBERA CARABALLO S,BELTRÁN CILLERUELO F,et al.Fuel optimization strategy for hydrogen fuel cell range extender vehicles applying genetic algorithms[J].Renewable and Sustainable Energy Reviews,2018,81:655-668.

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