燃料电池汽车的核心技术
ʌ日ɔ 今西啓之　井漕好博
摘要：被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放C O 2㊂燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程㊂各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作㊂介绍了丰田公司燃料电池系统(T F C S )及燃料电池堆的结构㊁设计与控制㊂着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即 水管理控制技术 ，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术㊂
关键词：燃料电池堆；升压转换器；水管理控制；自加湿控制；计测；降低含水量
0 前言
近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生C O 2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注㊂丰田公司于近期设立了 C O 2零排放目标 ，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1
)
㊂图1 丰田公司2050年的车型生产目标
F C V 具有以下特点:(1)
以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛;
水氢汽车
(2)行驶中的排放物只有水;(3)
由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能;(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程㊂目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化㊂考虑到F C V 的诸多优点，研究人员认为F C V 同样也可满足中长距离的运输需求(
图2)㊂丰田公司于2014年在世界范围内首开先河,
上市销售了量产型F C V  M I R A I
车型㊂此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料
电池城市客车 S O R A  (图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4
)
㊂图2
相关车型和行驶里程分布示意图
图3 新型燃料电池城市客车 S O R A
图4 用于8级验证的货车(针对美国市场)
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1 丰田公司燃料电池系统
丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(T F C S
)(图5)
㊂图5 HV ㊁P HV ㊁E V ㊁F C V 动力系统
燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆㊁供应氢燃料的氢气系统㊁供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6
)
[1]
㊂燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系
统供电(图7
)[2]
㊂就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化㊂不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要㊂本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制
㊂
图6 燃料电池系统示意图[
1]
2 燃料电池堆
燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单
电
图7 高电压系统示意图[
2]
池数量，从而获得所需的电能㊂在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成
(M E A )㊁显微渗透层(M P L )㊁气体扩散层(G D L )㊁用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部
件构成(图8)
[3]
㊂图8 T F C S
的燃料电池组与单电池结构示意图
图9 丰田公司燃料电池堆的功率密度发展趋势
丰田公司通过对燃料电池流道及M E A 进行改
进，使燃料电池系统实现了高密度化㊂此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件㊂同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺
寸[4
]㊂而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻
了，使电池具备较高的功率密度(3.1k W /L 与2.0
k W /k g
，图9)㊂结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)㊂不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(P A C )
，从而显著降低了成本[
5
]㊂29
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图10 单位功率的催化剂铂用量
2.1 高电流密度化
电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的㊂超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的
活性化超电压 ，源于电子㊁质子移动的 电阻超电压 和源于反应过程的 浓度超电压 (图11)㊂就聚合物电解质燃料电池(P E F C )而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化㊂另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加㊂通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念
㊂
图11 基于燃料电池性能的超电压分布示意图
2.2 降低浓度超电压
在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水
会滞留于空气极侧的电池流道㊁G D L ㊁M P L 及M E A 中，从而产生浓度超电压㊂在通常情况下，与气体流道不接触的G D L 及M E A 内容易积存液态水㊂而在丰田的M I R A I 车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D 细网格状结构㊂在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液
态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12㊁图13)㊂此外，在G D L 内,
通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化㊂而在M P L 方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2
倍，进而降低了浓度超电压
㊂
图12 普通凹槽流道与3D
细网流道
图13 按照流道结构不同，比较G D L 内的滞留水量
2.3 降低电阻超电压
为了确保P E F C 中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态㊂在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理㊂配装在M I R A I 车型上的T F C S ，可通过结构简化以提高可靠性㊂丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)㊂自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿㊂该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合㊂
燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低㊂在M E A 内部的催化剂附近,
质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加㊂在外
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图14 自加湿概念示意图
观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化㊂通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变㊂在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积㊂同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向㊂除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性
控制在最小限度以内(图15㊁图16
)[6]
㊂图15
基于相对湿度的催化剂利用率对比
图16 采取对策前后的发电分布情况另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步
老化㊂同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题㊂研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D 细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保
了其耐久性能(图17
)
㊂图17 氟化物排放率示意图
3 燃料电池堆的水管理控制
为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了M E A 构件的电阻,
进而对燃料电池的运转条件进行调整㊂
3.1 基于交流阻抗法的含水量计测
图18示出了常规燃料电池的等效电路[7]
㊂图中
R o h m 为电解质膜的电阻,R v o i d 为G D L 的电阻,R i o n 为电解质的电阻㊂这些电阻会随着含水率的不同而发生变化㊂在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态㊂在冷却过程中，由于G D L 内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以R v o i d 值会相应增大㊂相反，在高温运转时等含水率较低的状态下,R o h m 和R i o n 会有所增大,
并产生电阻超电压
㊂图18 燃料电池等效电路
燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是
通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测
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的㊂R o h m 是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值
(H F R )而计算得出的㊂另一方面,R v o i d 是根据L
F R ，再针对R o h m 及R i o n 进行计算而得出的㊂
3.2 燃料电池堆的自加湿控制
T F C S 在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理㊂为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量㊂在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动㊂由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时
的环境温度(图19
)[8
]
㊂图19 通过运转条件的最佳化以提高系统运转温度
3.3
燃料电池高温运转时的水管理控制
图20 进行水管理控制时车辆高速爬坡状态下的
燃料电池堆特性曲线
以计测方式得出的阻抗值为基础，控制M I R A I 车型氢气泵流量㊁燃料电池水温等参数，由此进行水管理㊂图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果㊂图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果㊂在进行水管理控制的条件下,R o h m 数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率㊂另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率㊂此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在
全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压㊂可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)㊂另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升㊂
该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象
㊂
图21 未进行水管理控制时车辆高速爬坡状态下的
燃料电池堆特性曲线
图22 按照是否进行水管理的燃料电池堆特性曲线图对比
由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升㊂
3.4 0ħ下起动时的水管理控制
燃料电池系统在0ħ下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向M E A 及时供应工作所需的氢气与氧气㊂由此面临的最恶劣情况即为燃料电池
无法正常发电㊂
图23示出了在0ħ环境下的系统控制流程图㊂
在0ħ环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主
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