2020年11月19日 | 新型商用车燃料电池驱动装置

将燃料电池用作动力装置有利于商用车技术的发展。燃料电池在续航里程和充电时间等方面明显优于传统蓄电池。为了实现相关技术的推广，必须进一步降低成本。该目标可通过调整燃料电池尺寸，推进标准化进程，以及提高系统可靠性而实现。Pierburg公司目前已开发出了全新的燃料电池产品，以此满足未来商用车燃料电池驱动装置在品质、安全性和使用寿命等方面的需求。

0 前言

在过去的20年中，燃料电池的发展虽然呈现出多样化的趋势，但其在商用车驱动装置领域中，至今仍未出现实质性的突破。早在20世纪，部分城市客车也曾小批量地使用过燃料电池，但是其技术发展的重点仍集中在轿车领域。近年来，研究人员将燃料电池的应用领域逐步过渡到商用车方向。这主要是由于降低CO2排放的欧盟商用车法规已于近期正式通过。该法规规定在2030年之前，车辆CO2排放必须比目前基准阶段降低30%。这个目标促使电驱动力总成系统逐步取代车用柴油机，从而推动了商用车燃料电池的应用。与蓄电池相比，燃料电池的优点表现在行驶里程较长和燃料加注时间较短等方面，同时还可显著优化整车布置方式，并实现轻量化，从而有效改善整车经济性(表1)。此外，如果以不增加CO2排放为前提，以此能进一步凸显燃料电池的技术优势，因为其能量密度高于蓄电池，同样也改善了制造过程中对环境造成的负面影响。

表1 商用车动力装置的比较

1 降低成本是重要的挑战

在德国，燃料电池技术已较为成熟，并能投入大批量生产，但目前面临的1项重要挑战是加氢站的规模及数量依然较为有限。除此之外，研究人员仍需要进一步降低燃料电池系统的制造成本。在控制成本方面，科技界和工业界都已取得了重要进展。目前，除了燃料电池堆自身以外，对成本影响最大的因素是燃料供给装置和辅助设备。为此，现阶段的燃料电池系统具有多种尺寸形式可供选择，并且其技术性能可满足不同的功率需求。另外，目前市场上现有的燃料电池系统和功率等级需要实现统一化和标准化。当今在汽车领域广受关注的质子交换膜燃料电池(PEMFC)，除了开放式系统中的氧供给系统之外，共有2种封闭式循环回路可供选择。其中1种用于燃料电池堆的热调节，另外1种则用于供应氢燃料。燃料电池系统的整个外围设备通常被称为辅助控制系统(BoP)，采用了机电一体化组件，其成本约为整个系统的25%(图1)。

图1 PEMFC系统结构示意图

2 构件的继承和标准化是关键

Pierburg公司多年来大批量制造了可用于PEMFC系统的各类零部件，以及其他与燃料电池密切相关的辅助产品。目前，该公司将研发重点集中在阴极阀、冷却液泵及氢再循环增压器等方面(图2和图3)。冷却液泵和氢增压器有着较高的标准化要求，同时还需要配备一定比例的通用件，才能使产品的成本和品质与技术转换、使用寿命及运行安全性等因素实现协调一致，并使新开发的高电压冷却液泵和经改进的氢增压器得以充分利用。为了进一步提高通用件比例并降低开发费用，研究人员将冷却液泵、氢增压器、大容量电机、功率电子器件(换流器)等高电压部件和软件进行分开设计，并且将全部的机械和电子组件集成在圆柱形整体式壳体中，其中包括转子结构组件、电机及其他电子器件(图4)。

图2 用于燃料电池的高电压氢再循环增压器和冷却液泵

图3 用于燃料电池的低电压氢再循环增压器和冷却液泵

图4 氢再循环增压器和冷却液泵的结构

考虑到汽车制造商的设计和安全性规定，电机和电子器件基本上是按LV123/124标准而设计的，因此确保了最高电压等级为800 V 的HV2b和HV3 等设备的安全使用。电机运行所使用的高电压功率电子器件通常会与电压系统和控制器局域网络(CAN)总线接口进行分开布置。电子器件直接与无刷直流同步电动机(BLDC)相连，以便遵循ECE-R10标准，并确保系统的可靠性和电磁特性。冷却液泵和氢增压器具有无级转速调节、系统诊断和选择性网络管理功能。接触介质的转子结构组件与电子器件的密封隔离可通过塑料缝隙式管而实现。该缝隙式管可通过纯静态负荷O型圈对壳体进行密封，并确保系统内部保有约0.8 MPa的压力。在这2种流体机械中，这种缝隙式管可避免介质与氢混合气及电子器件的大范围接触。同时，静态密封原理不会受摩擦老化的影响，因此能确保产品在整个使用寿命期内可靠运行。

研究人员在选择接触介质的结构组件材料时，除了确保其耐腐蚀性之外，也考虑到了离子和材料析出可能性，以避免氢增压器中MEA 的加速退化及冷却液泵中冷却液导电性的逐渐提高。在该方面，滚动轴承作为唯一存在磨损情况的构件而成为研究关注的焦点，在冷却液泵中通常会采用通过合成材料制成的轴承。由于在氢增压器中存在气体介质，研究人员为其配备了密封滚动轴承，以便在选择材料时实现相互协调，并防止其产生静电负荷和电火花。此外，研究人员通过设计优化，使这种专门开发的轴承润滑材料在成分、粘度和化学稳定性等方面有着优异性能，从而确保轴承在整个使用寿命期内处于低摩擦运行状态。

3 燃料电池阴极阀

与内燃机相似，为使燃料电池堆正常运作，应为其供应经增压装置压缩后的清洁空气。为了对新鲜空气、旁通空气和废气进行流量调节，需要配备电动阀系统。此外，如果燃料电池堆处于非工作状态，由此会通过具有较高密封性的单向阀与周围环境实现密封隔离。

根据使用情况，上述阀板和阀门在与水和氢进行接触时，应具有较好的稳定性和耐久性。这就需要使阀体与执行机构之间实现良好的密封，特别是单向阀在关闭时应呈现出较好的密封性，而且必须在整个使用寿命期内得以有效维持。

基于内燃机节气门的开发经验，Pierburg公司旗下的研究人员设计了一系列可用于燃料电池负极侧的调节阀和单向阀，并已投入小批量生产。内燃机节气门的基本方案由可旋转的阀板和集成式的直流电机执行器所组成，目前已保留了这种基本方案，并根据上述标准进行进一步开发。调节阀板的尺寸已根据其各自的功率等级和所需的空气流量进行了调整。其他的技术特性，如汽车电路电压(12/24 V)等，则可根据用户需求来进行配置。为了满足较高的密封性要求，研究人员采用了密封环与摆动阀板相结合的结构设计方案，在需要时可通过能实现多次密封的滚针轴承以确保阀板轴与执行器间的密封效果(图5)。

图5 用于燃料电池的负极阀板

4 燃料电池的主冷却液泵

效率高达65%的PEMFC在电化学转换过程中仍会产生一定损失。为了使反应过程温度稳定在80~100 ℃，需要采用强制式液体冷却，以避免燃料电池产生局部热损伤。同时，在低温工作状态下，研究人员应对温度和湿度进行预处理，由此可使导电性较弱的去电离水和乙二醇混合液流经燃料电池堆，并实现冷却。由于研究人员将一定数量的电池板进行了串联处理，因此所需的冷却液会产生较大的压力损失。针对这种情况而设计的冷却液泵应具有合适的特性曲线场，并且能稳定地输出所需的高功率。为选择合适的材料，必须确保其具有一定的耐腐蚀性，为此研究人员要采取相应措施以避免其受到冷却液导电性的影响，同时避免堆芯漏电电流的出现。

Pierburg公司旗下的研究人员设计出了可用于燃料电池的主冷却液泵。该款主冷却液泵的电压为12 V，功率为0.45 kW。研究人员通过设置较高的通用件比例，并采用已投入批量生产的零件，从而有效降低了成本，同时确保了系统可靠性和品质。

在为商用车而开发的系统框架中，由于采用了高电压驱动方式，主冷却液泵相应具有较高的功率需求。在商用车上，除了已使用的400 V(HV2b)系统之外，800 V(HV3)系统的电压也成为了研究人员的关注焦点。专门为商用车而新开发的冷却液泵已按照上述2种电压等级和相关要求完成设计，其电功率高达2 kW，因而具有广阔的应用前景(表2)。

表2 用于PEMFC的高电压和低电压冷却液泵的技术参数

5 氢再循环增压器

PEMFC在阳极侧供应氢燃料。氢燃料通过减压阀和计量阀而进行输送，其储存压力可根据负荷状况从目前通用的70 MPa逐步降低到0.1~0.3 MPa。为了改善燃料电池中的反应过程，供应的氢混合气的化学计量比大于1，堆芯出口处的混合气浓度也可根据实际运行过程进行调节。根据所采取的运行策略的不同，这种混合气在堆芯的单元或二元再循环过程中实现重新输送，并采用了喷射器。由于其运行范围有限，通常与由电机驱动的主动增压器相组合，从而被称为氢再循环增压器。主动再循环过程扩展了燃料电池的运行范围，因而使动力总成系统在设计和应用方面具有更高的自由度。其他优势则体现在对混合气均质化程度的改善，并有助于堆芯除湿和循环扫气过程的进行，由此具有更高的效率、更长的使用寿命及更好的动力学性能，同时也改善了冷起动性能。因此，目前大部分车用燃料电池系统都配备了主动再循环功能，其对于商用车系统有着较高的重要性。Pierburg公司旗下的研究人员通过设定，使该系统可通过400 V 电压进行运作，而且可为采用800 V工作电压的商用车提供氢增压器，并覆盖了0.4~1.6 kW 的电功率范围(表3)。

表3 用于PEMFC的高、低电压氢再循环增压器的技术参数

系统所应用的单级侧通道泵送单元是1类低压旋转式流体机械，其有着较好的静音性，并可有效降低节流损失。此外，氢增压器还配备有冷却水套，从而能确保发动机以全负荷工况实现连续运行，并且在冷起动时可为氢增压器除霜。

为了防止外部泄漏，研究人员通过设计，使介质所在区域与电子器件之间实现了密封隔离，并在生产流水线终端进行氦气泄漏检验，从而确保其品质。为了使全新的燃料电池汽车成功投产，必须遵循欧盟EG79/2009法规的规定和限值要求。为了进一步确保系统在整个使用寿命期内能安全可靠地运作，研究人员应预先按照DINEN60079-1标准对静态O型圈缝隙存在的碗形密封失效情况进行研究，并相应调整组件之间的缝隙尺寸，从而避免沿堆芯方向出现着火击穿现象，同时降低制造过程的成本。

6 结论和展望

燃料电池在商用车领域已取得一定的技术突破。由于可实现较长的行驶里程，且燃料加注时间较短，因而燃料电池汽车相比蓄电池电动汽车具有更好的经济性。除此之外，在各类替代能源中，氢能更适于进行储存，从而使其成为车用能源转型过程的关键所在。基于多年来在燃料电池领域开发的经验，Pierburg公司已开发出全新产品，从而能满足未来新一代商用车燃料电池系统在品质、安全性和使用寿命等方面的要求。