燃料電池系統(tǒng)

我國(guó)燃料電池基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)進(jìn)入加速期，為燃料電池汽車商業(yè)化做好充分準(zhǔn)備。加氫基礎(chǔ)設(shè)施是燃料電池發(fā)展的重要保障，氫氣的低成本輸運(yùn)也是需要重點(diǎn)攻克的難題，適合燃料電池汽車的高純度氫氣來源也是重要問題。

此前的系列科普中，已經(jīng)介紹了氫氣的制取、儲(chǔ)運(yùn)問題。在本文中，將會(huì)為大家介紹燃料電池系統(tǒng)的問題，包括其組成、發(fā)展?fàn)顩r以及目前主流的燃料電池系統(tǒng)的簡(jiǎn)介。

思考的問題：

燃料電池系統(tǒng)是由哪些部分組成的?關(guān)鍵部件與技術(shù)是什么?

目前國(guó)內(nèi)主流的燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)商情況如何?

重要結(jié)論

燃料電池系統(tǒng)的關(guān)鍵部件包括電堆、氫氣循環(huán)系統(tǒng)、加濕器以及空氣壓縮機(jī)，關(guān)鍵技術(shù)包括水熱管理技術(shù)、低溫冷起動(dòng)、系統(tǒng)的控制技術(shù)等。目前在國(guó)際上，包括日本、美國(guó)、德國(guó)，燃料電池的技術(shù)已經(jīng)成熟，下一個(gè)階段，燃料電池的技術(shù)主要是集中在降低成本產(chǎn)業(yè)化的階段。國(guó)內(nèi)企業(yè)主要依賴國(guó)外公司的現(xiàn)有技術(shù)并進(jìn)行深入研究，主要公司有大連新源動(dòng)力和大洋電機(jī)兩家公司。

1、 燃料電池系統(tǒng)簡(jiǎn)介

燃料電池系統(tǒng)是燃料電池汽車最基本的、最核心的部分。燃料電池汽車與動(dòng)力電池汽車最大的不同是利用了氫氧反應(yīng)生電。燃料電池系統(tǒng)是主要由電堆、燃料處理器、功率調(diào)節(jié)器、空氣壓縮機(jī)組成。每一個(gè)系統(tǒng)組成部件都有其特有的關(guān)鍵技術(shù)，其中電堆技術(shù)最為關(guān)鍵。

燃料電池堆。為了滿足一定的輸出功率和輸出電壓的需求，通常將燃料電池(FC)單體按照一定的方式組合在一起構(gòu)成燃料電池堆，并配置相應(yīng)的輔助設(shè)備(BOP，Balance Of Plant)，同時(shí)在燃料電池控制單元的控制下，實(shí)現(xiàn)燃料電池的正常運(yùn)行，共同構(gòu)成了燃料電池系統(tǒng)。用作車輛動(dòng)力源的燃料電池系統(tǒng)，稱為燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)。燃料電池堆是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的核心，BOP維持電堆持續(xù)穩(wěn)定安全地運(yùn)行。燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輔助系統(tǒng)主要包括空氣壓縮機(jī)、燃料電池用加濕器、氫氣循環(huán)泵、壓力調(diào)節(jié)器和系統(tǒng)控制單元。以氫為燃料的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的典型結(jié)構(gòu)如圖所示。

燃料電池堆是燃料電池系統(tǒng)的主要元件，包括電極、質(zhì)子交換膜(PEM)、雙極板、氣體擴(kuò)散層(GDL)、端板等部件。其中，電極、PEM和GDL集成在一起成為膜電極(MEA)，它是堆的主要部件。電極是PEM和GDL之間具有電傳導(dǎo)性的一層加壓薄層，也是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的地方。PEM是陰極催化層和陽(yáng)極催化層之間的一層薄膜，是氫質(zhì)子傳導(dǎo)的介質(zhì)，PEM的性能直接影響整個(gè)電堆的性能。雙極板用于支撐膜電極，并收集單電池電流。所有的單電池通過雙極板串聯(lián)在一起，提供滿足車用動(dòng)力需求的電功率。

燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù)。燃料電池的耐久性是燃料電池汽車問題的關(guān)鍵所在，而耐久性，很大一部分在于控制系統(tǒng)的問題。經(jīng)過大量的研究表明，影響燃料電池壽命的關(guān)鍵因素有：動(dòng)態(tài)工況、起動(dòng)、連續(xù)怠速等，這些因素都是通過由系統(tǒng)控制所最終決定的。因此，燃料電池系統(tǒng)控制技術(shù)成為燃料電池最為關(guān)鍵的技術(shù)之一。

圖中燃料電池控制單元包括空壓機(jī)控制模塊、燃料電池系統(tǒng)控制模塊以及電池電壓監(jiān)控模塊。其中空壓機(jī)控制箱接收燃料電池控制模塊發(fā)送的控制信號(hào)，同時(shí)把反饋信號(hào)(如空壓機(jī)的轉(zhuǎn)速等)發(fā)給燃料電池系統(tǒng)控制模塊。燃料電池系統(tǒng)控制模塊主要根據(jù)接受的各種信號(hào)，來確定合適的控制參數(shù)，并通過CAN總線與車輛管理系統(tǒng)通訊。電池電壓監(jiān)控模塊用于監(jiān)控單池電壓，當(dāng)電壓過低時(shí)向燃料電池控制模塊發(fā)送警告信號(hào)。通過輔助系統(tǒng)和控制系統(tǒng)的綜合作用實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)高效運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)能量的最有利用。

2、 國(guó)內(nèi)燃料電池堆：金屬極板與單堆高功率

與電機(jī)電控相同的地方是，目前國(guó)際上主流的燃料電池系統(tǒng)也是分為整車廠自主研發(fā)及配套采購(gòu)兩種模式。乘用車方面，已經(jīng)量產(chǎn)的燃料電池汽車豐田Mirai和本田Clarity都搭載自主研制的燃料電池系統(tǒng)，其他主流車企也在加快研發(fā)進(jìn)程;商用車方面，主要采用配套采購(gòu)方式，巴拉德是國(guó)際燃料電池系統(tǒng)龍頭，同時(shí)也為國(guó)內(nèi)的燃料電池公共汽車提供動(dòng)力系統(tǒng)。

大連新源動(dòng)力(南都電源參股)：

新源動(dòng)力作為國(guó)內(nèi)燃料電池技術(shù)研究程度最深的公司之一，在燃料電池系統(tǒng)的小型化、集成化等方面深入耕耘，與多家國(guó)內(nèi)主流車企形成了穩(wěn)定的供應(yīng)關(guān)系。待加氫基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)相對(duì)完善、規(guī)模化效應(yīng)提升使成本逐漸降低后，國(guó)內(nèi)燃料電池汽車極可能出現(xiàn)類似日本今年一季度的爆發(fā)行情。

公司認(rèn)為燃料電池系統(tǒng)的核心競(jìng)爭(zhēng)力來源于設(shè)計(jì)，不論是極板材料的選擇、流道的設(shè)計(jì)，還是層級(jí)結(jié)構(gòu)的搭建、算法的建立等。目前公司的燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品覆蓋固定式、分布式、通信備用電源等各個(gè)領(lǐng)域，功率從5KW-120KW，產(chǎn)品類型齊全。

大洋電機(jī)：

大洋電機(jī)的燃料電池技術(shù)來源于加拿大巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司，巴拉德動(dòng)力系統(tǒng)公司成立于1979年，從1983年開始研發(fā)燃料電池，其核心技術(shù)在于質(zhì)子交換膜。1997年公司與戴姆斯-克萊斯勒組建合資企業(yè)，共同開發(fā)燃料電池汽車市場(chǎng)。2007年至2009年，開始轉(zhuǎn)型發(fā)展清潔能源燃料電池產(chǎn)品，并廣泛應(yīng)用于智慧能源解決方案。目前公司的主要產(chǎn)品有：1)質(zhì)子交換膜燃料電池堆的原始設(shè)備和系統(tǒng)集成;2)動(dòng)力模塊，為叉車、公共汽車和輕軌提供靈活的解決方案;3)固定系統(tǒng)，提供一個(gè)全面的氫燃料組合電力系統(tǒng)，來支持一系列應(yīng)用程序。

巴拉德在燃料電池領(lǐng)域具有明顯的競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，過去的30年中巴拉德的技術(shù)工程投資超過10億美元，生產(chǎn)了超過200兆瓦的燃料電池堆、240萬個(gè)膜電極組件和3000個(gè)固定式燃料電池系統(tǒng)。現(xiàn)在，搭載巴拉德燃料電池系統(tǒng)的公交車行駛里程超過百萬千米，并且為包括豐田、大眾、奧迪等在內(nèi)的全球前八大車企提供了超過500個(gè)燃料電池產(chǎn)品和超過1000小時(shí)的咨詢服務(wù)。

簽訂燃料電池模塊組裝框架協(xié)議，加快公司燃料電池產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程。大洋電機(jī)利用巴拉德成熟的燃料電池系統(tǒng)技術(shù)及自身在電機(jī)及混合動(dòng)力系統(tǒng)的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，與車企進(jìn)行了燃料電池汽車的緊密合作，尤其在燃料電池客車領(lǐng)域已經(jīng)獲得了較大進(jìn)展。目前，大洋電機(jī)正在建設(shè)燃料電池模組組裝生產(chǎn)線，巴拉德提供技術(shù)支持，該業(yè)務(wù)短期內(nèi)面向商用車和物流車，合作的車廠包括佛山飛馳、東風(fēng)特汽等。

3、 總結(jié)

本篇科普，我們?cè)敿?xì)介紹了燃料電池堆的結(jié)構(gòu)，及國(guó)內(nèi)外燃料電池堆的發(fā)展現(xiàn)狀。但是，由于燃料電池堆響應(yīng)速度較慢，因此通常都需要搭配一套電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)形成混合動(dòng)力系統(tǒng)。