新型燃料电池技术

氢是一种替代燃料，按重量计算，它的能量含量很高。它大量储存在水、碳氢化合物和其他有机物中。氢可以从多种多样的资源中产生，包括化石燃料、生物质和水电解，以及风能、太阳能或电网电力。氢气的环境影响和能源效率取决于它是如何产生的。氢和燃料电池可以广泛应用。由于燃料电池可以独立于电网，因此对于数据中心、电信塔、医院、应急响应系统甚至国防军事应用等关键负载功能来说，它们也是一个有吸引力的选择。燃料电池与电池类似，它们不是燃烧产生电能。与今天的汽油车类似，燃料电池电动汽车在一箱氢燃料上的行驶里程可以超过300英里。他们可以在几分钟内补充燃料，而且加燃料体验几乎和加油站一样。由于发动机（即燃料电池）没有移动部件，永远不需要换润滑油。

1 氢燃料电池技术未来的可持续性[1]

Kumar讨论了一些关键的能源、环境和可持续性问题，以及氢和燃料电池技术作为这些问题的潜在解决方案之一的作用。氢是一种特别吸引人的运输燃料。它是产生污染最少的燃料，可以在任何有水和清洁电力的地方生产。用太阳能电解水或可再生生物质气化制氢，然后用于燃料电池电动汽车（FCEV）的燃料循环将产生很少或根本不会产生局部的、区域的或全球污染。氢燃料电池汽车将结合电池动力电动汽车（BPEVS）的最佳特性—零排放、高效、安静运行、长寿命—内燃发动机汽车（ICEVs）的长距离和快速加油时间。如果燃料电池技术如预期的那样发展，那么氢燃料电池汽车将和太阳能电池汽车有一个重大的进步，它们将比氢燃料电池汽车更清洁和更高效，比氢燃料电池汽车有更短的加油时间和更低的生命周期成本。作者将揭示用燃料电池取代现有发电源的可能性。

燃料电池的类型主要取决于它们所使用的电解质的类型。而电解液的类型又决定了操作温度，不同类型的操作温度差别很大。高温燃料电池的工作温度在1 100华氏度（600摄氏度）以上，这些高温使得轻烃燃料（如甲烷）在有水存在的情况下自发地内部转化为氢和碳。

2 FCEV逆变器并联直冷系统的研制[2]

现代汽车公司的Heung Seok Seo介绍了一种带圆形翅片式的直接液冷电源模块，它是一种用于高输出电压的电动汽车或燃料电动汽车的逆变器并联冷却系统。传统逆变器的直接冷却系统是沿硅晶片等加热元件的布置方向提供冷却剂，并将冷却剂排放到另一侧。对于逆变器，电压输出越高，由于产热元件的热量交换，冷却入口与冷却出口之间的温差越大，因此温差的大小取决于硅芯片的布置位置。解决这个问题的简单方法是增加冷却流速，但这会导致由于圆形翅片而产生的压力损失增加。

2.1 仿真条件

本研究采用的逆变器是带有圆柱形翅片的三相逆变器，并且配有单面直接冷却系统。逆变器的芯片排列方式如图1所示。电源模块的贴合布局如图2所示。功率模块层由芯片和芯片焊料、直接结合铜（DBC）、焊料和基板组成。直接结合铜（DBC）是一种结构，铜层直接粘结在陶瓷上进行绝缘。

2.2 仿真模型

为冷却通道优化，验证并联冷却系统对一般冷却通道的影响，作者确定了冷却通道尺寸由191.5 mm（长）、54 mm（宽）和8.5 mm（高）组成。

图1 半导体冷却剂的布置位置[2]

为有效设计并联冷却通道，选取螺栓连接等4个不受干扰的设计变量，设置约束条件。

但是当最高温度降低时，芯片之间的温差也得到了改善，因此设定目标函数使芯片的最高温度和压力损失最小化，以减少优化时间。

图2 电源模块的贴合布置[2]

3 燃料电池系统开发对FCEV性能的影响[3]

FEV Marius Walters博士以燃料电池增程器（FCREX）在FEV Liiona中的应用为例，阐述了燃料电池系统的开发挑战。FEV Liiona是一款基于FEV开发的菲亚特500的电动汽车。这是第一个应用30 kW LT PEM燃料电池系统的超紧凑型类汽车。燃料电池系统的开发对燃料电池电力系统的性能、效率、布置、耐用性和所需的维护工作都有显著的影响。与此同时，对流体供应所必需的辅助部件的要求与内燃机相比有很大不同。就燃料电池增程器应用而言，Marius Walters博士解释并评估了所选择的成熟组件平衡的优缺点。在不限制车内可用性的情况下，燃料电池增程器可以提供额外的140 km续航里程。

3.1 送风系统

图3描述了送风系统的总体结构。首先，入口空气通过一个过滤器，过滤掉威胁燃料电池交换膜的颗粒和空气污染物。然后将其压缩到必要的操作压力级别，通过充电空气冷却器进入燃料电池堆叠。为了使后者最小化，系统中不采用膨胀机。因此，压缩机必须由电力驱动，压力水平由节流阀调整。空气出口的消音器可以降低噪音。

图3 送风系统的总体结构[3]

表1概述了适用于汽车应用的各种压缩机类型的优缺点。可以看出，在成本、生产能力和耐久性等重要方面，轴流式压缩机和径流式压缩机均满足要求。

Marius Walters博士也进行了单级压缩机可能的类型比较及其在燃料电池汽车中的应用研究。

表1 适用于汽车应用的各种压缩机类型[3]

Marius Walters博士的研究中，把电气化Rotrex C8-8压缩机的理论上可以达到的压力被绘制成空气质量流量的函数。工作特性曲线受到冲击线的限制，从20 g/s的质量流量开始，压力达到2 bar。压缩机出口通过空气滤清器和充电空气冷却器的压力损失减小，导致FC电堆入口压力也下降。当质量流量为20 g/s时，压力仅为1.94 bar。在质量流量为30 g/s时，最大压力为2.13 bar。当质量流量大于40 g/s时，压力再次降至2 bar以下。这相当于额定功率36.8 kW。

4 高度集成的燃料电池分析基础设施[4]

聚合物电解质膜燃料电池（PEMFC）允许可再生生产的氢能源有效、资源有效和无排放的转化。为了在PEMFC系统领域进行应用研究，合作研究项目中开发并建立的一个150 kW功率系统的高度集成的燃料电池分析基础设施。奥地利HyCentA Research研究所的Stefan Brandstätter博士与AVL公司合作，提出了一种具有硬件环路（HiL）功能的新型开放式测试设备。可以实时模拟车辆、驾驶员和驾驶循环以及电池、电机、变速器和不同平衡装置（BoP）部件等动力系统组件。

图4概述了由氢气供应系统和空气/氧气供应系统、水和热管理系统以及控制单元组成的这些组件。送风系统由空气过滤器、鼓风机或压缩机和加湿器组成。水和热管理系统控制燃料电池堆的温度和湿度。

图4 PEMFC系统方案[4]

高度集成的燃料电池分析基础设施（HIFAI）概念和设计是基于汽车燃料电池应用的需求和约束条件，HIFAI试验台被设计为燃料电池开发、特征化、优化和系统集成的创新工具。燃料电池系统或被测试单元（UUT）必须在实际运行条件下进行测试。因此，燃料电池测试基础设施必须完成以下功能[4]：

（1）给被测试单元（UUT）提供氢

（2）提供氮气以清除氢气供气管线，并且使被测试单元（UUT）惰性化

（3）为被测试单元（UUT）提供空调冷却剂

（4）为被测试单元（UUT）提供电力负载

（5）模拟真实环境条件（环境舱）

（6）实时仿真虚拟动力总成、车辆和驾驶员（HiL环境）。

（7）提供测试自动化、数据采集和分析。

（8）提供控制器标定和参数化工具。

为了实现每个功能，HyCentA Research研究所已经开发了独立的模块，并组建了燃料电池试验平台[4]。

5 PHEV不同驾驶模式对减少温室气体的差别效益[5]

5.1 不同驾驶模式分析

丰田公司的Ken Laberteaux进行了基于模拟的插电式混合动力电动汽车（PHEV）的等效温室气体（GHG）建模，用于在公共调查数据集（如加州家庭旅行调查（CHTS））中监测真实车辆获得的真实驾驶模式。由PHEV进行的等效温室气体（GHG）的建模可能具有挑战性，因为它不仅取决于所讨论的车辆设计和驾驶模式，而且还取决于[5]：

（1）PHEV的全电动续驶里程（AER）

（2）用于给电池充电的“油井到油箱”（W2T）等效温室气体

（3）自上次充电事件以来的先前行程中的电池衰减。

为了应对这些建模中的挑战中，先前采用能量重新分配模型来估算不同充电行为的温室气体（GHG）当量。

5.2 温室气体排放模拟模型

作者的分析依赖于各种车辆模型对任意驾驶轨迹的燃料/能量消耗的模拟（不一定在任何标准测功机驾驶循环中）。对于这样的模拟，美国能源部认可了两个软件模拟软件包，即Autonomie和FASTSim。由于作者希望结果可以被广泛的研究人员社区轻松复制，因为FASTSim是开源的软件，因此FASTSim是首选软件。可以从国家可再生能源实验室免费下载。

FASTSim所输出的结果包括汽车型号所消耗的燃料和/或电力，插电式混合动力汽车默认情况下，每一次旅程以电池充满状态下开始旅行。作者开发了一种能量再分配模型，用于估计任意初始电荷状态下的燃料和电力的正确数值（从而可以模拟各种充电行为）。图5展示了2015年美国电网和三种不同的充电行为，应用加州家庭旅行调查（CHTS）数据集（车辆和行程称重）获得的温室气体直方图：a）CV，b）PHEV10，c）PHEV40。

图5 三种不同的充电行为[5]