【日】 山岡丈夫

0 引言

本田公司將1款綠色環(huán)保型燃料電池車投放市場銷售，其車名為“Clarity Fuel Cell”(以下稱 Clarity)。該車定員5人，1次充填氫氣續(xù)航里程為750 km左右(JC08工況下)，儲氫罐1次充填時(shí)間約為3 min，最高車速為165 km/h。

本車預(yù)計(jì)的零售價(jià)格為766萬日元(含消費(fèi)稅在內(nèi))。第一年預(yù)計(jì)以在燃料電池車推廣普及工作中提供了協(xié)助的自治團(tuán)體與企業(yè)為中心，并以租借形式銷售。同時(shí)收集使用狀況、意見及要求，然后銷售給個(gè)人。預(yù)計(jì)第一年的銷售輛數(shù)將達(dá)到200輛左右。

如果簡要而形象地描述燃料電池車，則可以說成是帶發(fā)電設(shè)備的電動車，圖1為燃料電池車的基本結(jié)構(gòu)。表1列出Clarity車型的主要技術(shù)規(guī)格。

圖1 通過向燃料電池輸入氫與氧，進(jìn)而產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)，由此產(chǎn)生的電能以驅(qū)動電動機(jī)，并為車輛提供動力

1 燃料電池系統(tǒng)

Clarity車型配裝的燃料電池系統(tǒng)的最大特征是燃料電池動力系統(tǒng)被集中起來，收納并設(shè)置在車輛發(fā)動機(jī)艙的前蓋下方，其結(jié)果表明能夠?qū)崿F(xiàn)與內(nèi)燃機(jī)汽車相互通用的組裝系統(tǒng)。同時(shí)，還能夠有效運(yùn)用原有的生產(chǎn)線，也能實(shí)現(xiàn)額定乘員5人的要求(圖2～圖3)。

表1 Clarity燃料電池車的主要技術(shù)規(guī)格

傳統(tǒng)燃料電池車的燃料電池堆安裝在與驅(qū)動單元分離的地板下。本車型以燃料電池堆的小型化為基礎(chǔ)，使燃料電池動力系統(tǒng)與V6發(fā)動機(jī)在同等尺寸條件下可以實(shí)現(xiàn)替換(圖4)。

圖2 配裝在Clarity車型上的燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖

圖3 將燃料電池堆及電動機(jī)等動力系統(tǒng)集中布置在前車蓋下

圖4 燃料電池動力系統(tǒng)(左)與3．5 L V6發(fā)動機(jī)(右)的大小比較

2 燃料電池動力系統(tǒng)

燃料電池動力系統(tǒng)的主要結(jié)構(gòu)裝置包括燃料電池堆、燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器、空氣壓縮機(jī)、驅(qū)動單元等。

2．1 燃料電池堆

新采用的燃料電池堆相比于傳統(tǒng)燃料電池堆體積縮小了33%(圖5)。由于提高了氣體的擴(kuò)散性，每1個(gè)電池的發(fā)電能力增大到1.5倍，體積功率密度增大60%。其結(jié)果可以減少30%的電池?cái)?shù)，同時(shí)，電池單體實(shí)現(xiàn)了薄型化。

圖5 Clarity車型的燃料電池堆比傳統(tǒng)燃料電池堆縮小體積33%左右

2．1．1 提高發(fā)電穩(wěn)定性

燃料電池堆利用發(fā)電時(shí)氫與氧的化學(xué)反應(yīng)，在氧(空氣)極側(cè)的發(fā)電面上生成水。這種水的存在，對發(fā)電效率及發(fā)電穩(wěn)定性有較大的影響。也就是說，如果生成水容易停留在發(fā)電面上，并且容易滯留在流道上，則發(fā)電效率降低，所以，提高反應(yīng)生成水的排放性能是非常重要的。另一方面，使氫離子透過空氣極側(cè)的電解質(zhì)膜，越是潮濕透過性越高，進(jìn)而提高發(fā)電效率。成為新型燃料電池核心的膜—電極接合體(MEA)得到改進(jìn)的同時(shí)，氫氣與空氣流動的方向從由上而下的垂直流動，改變?yōu)樗较嘞蛄鲃印２⑶?，由于高精度的濕度反饋控制，從低?fù)荷工況到高負(fù)荷工況提高了發(fā)電穩(wěn)定性(圖6)。氫與空氣從左、右側(cè)沿橫向(水平)逆向流動，可使發(fā)電面的溫度分布產(chǎn)生均勻效果。利用該效果可以實(shí)現(xiàn)降低電解質(zhì)膜受潮濕程度，再加上由于高精度地控制生成水的內(nèi)部循環(huán)量，實(shí)現(xiàn)利用發(fā)電面的生成水以減少冷凝水的生成，以及根據(jù)電解質(zhì)膜的發(fā)電負(fù)荷來保持最佳的受潮濕量。

2．1．2 提高發(fā)電性能

圖7表示燃料電池格柵(元件)的結(jié)構(gòu)，分別由氫氣極與空氣極的電極層與擴(kuò)散層夾住了MEA為核心，這也是用設(shè)置的隔板夾住氫氣與空氣的流道以及制冷劑的流道。本田公司的燃料電池堆，將氣體流道做成擴(kuò)散性優(yōu)異的波狀結(jié)構(gòu)，用2塊MEA與3塊隔板構(gòu)成1個(gè)單元(2個(gè)格柵)，組成獨(dú)特的冷卻結(jié)構(gòu)，并追求小型化。新型燃料電池堆進(jìn)一步發(fā)展了該結(jié)構(gòu)。前述改進(jìn)的結(jié)果能夠使氣體流道的深度變淺，并使格柵減薄20%，每個(gè)格柵的厚度為1 mm(圖8)。加上由于隔板的薄型化，在氣體流道變淺的同時(shí)，使流道寬度變窄，進(jìn)而提高氣體擴(kuò)散性(圖9)。由此，每個(gè)格柵的發(fā)電性能達(dá)到飛躍性的提高，低溫下的發(fā)電性能也得到提高。由于燃料電池堆的小型化和MEA的改良，除了熱容量大幅度降低之外，電阻也減小了。低溫下起動后，到達(dá)50%的輸出功率的時(shí)間縮短了一半。圖10表示傳統(tǒng)電池堆與改進(jìn)型電池堆在冰點(diǎn)以下(低溫)起動后的發(fā)電性能的比較。

圖6 傳統(tǒng)的燃料電池堆(a)與Clarity車型的燃料電池堆(b)的氣體流動與發(fā)電穩(wěn)定性的比較示意圖，傳統(tǒng)燃料電池堆氣體(空氣、氫氣)是自上而下的平行流動;Clarity車型的燃料電池堆氣體采用水平相向流動方式

圖7 本田公司采用了獨(dú)特的雙格柵冷卻結(jié)構(gòu)的燃料電池

圖8 由于氣體流道的深度變淺，成功地使電池格柵薄型化

圖9 傳統(tǒng)燃料電池(a)與Clarity燃料電池(b)的流道寬度縮小示意圖，由于氣體流道寬度擴(kuò)大的原因，水的排放性也得到提高

圖10 傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)與Clarity燃料電池系統(tǒng)在冰點(diǎn)時(shí)起動后的發(fā)電性能比較圖

2．1．3 提高抗沖擊性

為了將燃料電池堆安裝在前車蓋下方，相比于燃料電池堆布置在中央通道內(nèi)的傳統(tǒng)燃料電池汽車，有必要提高抗前方碰撞的耐沖擊性。因此，開發(fā)出以下結(jié)構(gòu):配置連接燃料電池堆左、右的端蓋(端板)的連接桿，并使電池上設(shè)置的凸部與連接桿的凹部相嚙合。因此，抗沖擊性提高到原有的4倍。利用該結(jié)構(gòu)，防止在遭遇沖擊時(shí)的電池偏移，可以防止氫氣從燃料電池堆內(nèi)漏泄。圖11為抗沖擊電池保持(鎖定)的結(jié)構(gòu)。

圖11 燃料電池堆中采用的抗沖擊電池(格柵)保持結(jié)構(gòu)

2．1．4 提高生產(chǎn)率與低成本化

該車型所用燃料電池堆的貴金屬材料的用量相比傳統(tǒng)燃料電池堆削減約40%左右，由于在發(fā)電部位的外圍建立樹脂框架，并將MEA做成矩形，就能夠連續(xù)地進(jìn)行催化劑等的涂敷加工，還能夠削減端部材料。由于采用樹脂框架，分別實(shí)現(xiàn)了氫氣極、空氣極的最佳氣體分配比例(圖12)。生產(chǎn)率的提高得益于MEA發(fā)電部的矩形化結(jié)構(gòu)，在大量制作擴(kuò)散層及電極層之后進(jìn)行裁割，進(jìn)而能使生產(chǎn)工序簡便化，大幅提高生產(chǎn)率。氫氣極是在擴(kuò)散層上涂敷基底層，再涂氫氣極，接下來還可涂敷電極層，由于可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)涂敷，生產(chǎn)速度也有所提高。由于不需要起模工序，可削減工時(shí)，使被切割的端部材料(邊角料)抑制在最低限度，大幅度提高了材料利用率，還有利于低成本化。圖13表示傳統(tǒng)的燃料電池與Clarity車型所用燃料電池的氫氣極的生產(chǎn)工序的比較示意圖。

圖12 氫氣極、空氣極都實(shí)現(xiàn)了最佳的氣體分配結(jié)構(gòu)

2．2 燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器

燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器也是新開發(fā)的。作為量產(chǎn)車，采用世界首創(chuàng)的碳化硅智能功率模塊(SiC-IPM)，以及四相交錯(cuò)控制，磁力結(jié)合電抗器等新技術(shù)。由于采用了這類新技術(shù)，比采用傳統(tǒng)型技術(shù)的升壓轉(zhuǎn)換器體積縮小了約40%左右。

SiC-IPM使進(jìn)行轉(zhuǎn)換(開關(guān))的全部功率模塊元件，由傳統(tǒng)型的硅制功率元(器)件(絕緣柵雙極型晶體管IGBT)替換為更高性能的SiC材質(zhì)的元件。新型的SiC功率元件具有非常高的性能，但是，由于現(xiàn)階段制造時(shí)的合格率低等原因，其價(jià)格較高。有效運(yùn)用SiC功率元件具有的4倍高頻驅(qū)動特性，有助于推進(jìn)電抗器的小型化。同時(shí)，由于吸熱器在高溫下工作性能優(yōu)異，電力損耗也小，吸熱器也在向小型化發(fā)展。

圖13 傳統(tǒng)燃料電池與Clarity燃料電池的氫氣極的生產(chǎn)工序比較

四相交錯(cuò)控制是使4個(gè)SiC-IPM的控制相位錯(cuò)開90°的四相化驅(qū)動，其特點(diǎn)是由于脈動電流相互抵消，從而能夠?qū)崿F(xiàn)控制裝置的高效化與小型化。四相交錯(cuò)控制能夠降低為使脈動電流的電容器容量控制方式平滑化，和一側(cè)的電容器小型化。圖14表示四相交錯(cuò)控制圖。

圖14 四相交錯(cuò)控制示意圖

磁力組合型電抗器使用2個(gè)電抗器(簡稱為線圈或繞組)，要求線圈的卷繞方向互為反向并卷繞于鐵心上，形成一體化結(jié)構(gòu)。由于直流磁通相互抵消，進(jìn)而降低了脈動電流，使得電抗器的小型化成為可能。

此外，相比傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)的無升壓功能，新型燃料電池系統(tǒng)具有升壓功能，可使驅(qū)動用蓄電池組的電壓最高提升至500 V。結(jié)果表明，該措施可削減燃料電池堆的電池?cái)?shù)量，并能夠電動機(jī)輸出功率提高30%。由于在電動機(jī)設(shè)計(jì)(布局)上精心考慮，使電動機(jī)高度降低了34%，并可以在電動機(jī)上部安裝小型化的燃料電池堆。由于升壓轉(zhuǎn)換器厚度減薄到100 mm左右，能夠?qū)⑸龎恨D(zhuǎn)換器收納于車輛發(fā)動機(jī)艙內(nèi)。圖15表示的外觀與燃料電池堆、驅(qū)動電機(jī)以及齒輪箱與動力控制單元一體化的示意圖。圖16表示傳統(tǒng)燃料電池車與Clarity燃料電池車降低驅(qū)動單元高度的比較示意圖。電動機(jī)向前方90°傾斜布置，將合并了動力驅(qū)動單元(PDU)和蓄電池的動力控制單元(PCU)布置在電動機(jī)的前方?？諝獗帽灰苿拥街醒胪ǖ纼?nèi)，以確保燃料電池堆與升壓轉(zhuǎn)換器的安裝空間。

2．3 驅(qū)動單元

本系統(tǒng)的驅(qū)動單元將驅(qū)動電池機(jī)、齒輪箱、PCU做成一體化結(jié)構(gòu)。

電動機(jī)最大功率為130 kW，相比傳統(tǒng)車輛用電機(jī)功率增加了30%，最大扭矩為300 N·m，比傳統(tǒng)車輛用電機(jī)增大了17%。由于燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用，最大驅(qū)動電壓由330 V提高到了500 V，加上定子的積累壓力增加了10%，轉(zhuǎn)子與定子部的質(zhì)量功率密度提高了28%。圖17表示傳統(tǒng)電機(jī)與新Clarity車用電機(jī)性能曲線的比較。

圖15 通過高性能的升壓功能，兼顧了高輸出功率化與小型化的驅(qū)動單元

圖16 傳統(tǒng)燃料電池系統(tǒng)(左)與Clarity燃料電池系統(tǒng)(右)驅(qū)動單元的高度比較

在電機(jī)殼體上增加加強(qiáng)筋以提高剛度，轉(zhuǎn)子的分度面積(鐵心齒槽扭斜)由剖分式(對開式)變更為四開式，以降低扭矩變動，同時(shí)也降低定子的振動，實(shí)現(xiàn)高功率、高轉(zhuǎn)速化，并提高靜音性。圖18表示電動機(jī)與驅(qū)動單元的結(jié)構(gòu)。

2．4 空氣壓縮機(jī)

向燃料電池堆壓送空氣用的空氣壓縮機(jī)，采用新開發(fā)的電動渦輪式結(jié)構(gòu)。該壓氣機(jī)雖然是小型的，但是相比傳統(tǒng)型壓氣機(jī)，可產(chǎn)生1．7倍的供給壓力(圖19)。在同軸上布置2個(gè)形狀不同的葉輪，利用兩極增壓，兼顧了供給空氣的高壓化與高流量化的性能。

由于采用了空氣軸承，即利用壓縮空氣使轉(zhuǎn)子在軸承上懸浮，壓氣機(jī)最高轉(zhuǎn)速可以達(dá)到100 000 r/min。在結(jié)構(gòu)上具有抗低噪聲壓、雜音甚至高頻噪聲的特性。由此，將作為消聲裝置的諧振器體積縮小約60%。壓氣機(jī)在小型化后，相比傳統(tǒng)的利肖姆型螺旋式壓縮機(jī)靜音性提高到2倍以上。

壓氣機(jī)也縮小了40%左右，這有利于整個(gè)空氣供給系統(tǒng)的大幅度輕量化。

圖19 采用了同軸兩極增壓結(jié)構(gòu)(同一軸上布置2個(gè)增壓用渦輪)的電動渦輪型壓氣機(jī)

3 氫氣供給系統(tǒng)

將在儲氫罐中充填到70 MPa(約700個(gè)大氣壓)的氫氣減壓到200 kPa左右，并向燃料電池堆提供氫。圖20示出儲氫罐的外觀及安裝到車輛上的示意圖。

圖20 安裝了不同尺寸的高壓儲氫罐，以確保后排座位乘員乘車空間

傳統(tǒng)燃料電池車使用減壓調(diào)整器，以及用于調(diào)壓的安全(溢流)閥，控制氫氣再循環(huán)的兩級可變的噴射泵與采用可變控制用的電磁閥調(diào)整氫氣的壓力與流量。而Clarity車型的新型氫氣供給系統(tǒng)有效運(yùn)用壓縮天然氣(CNG)的車輛，利用噴射器的啟動-關(guān)閉(ON/OFF)控制，進(jìn)行減壓、調(diào)壓、氫氣再循環(huán)的全部過程。由此，完全取消了調(diào)整器、安全閥、噴射泵等可變功能。結(jié)果表明，供給氫氣系統(tǒng)按照容積比縮小了約40%(圖21)。

圖21 傳統(tǒng)型燃料電池車(a)與Clarity車(b)的氫氣供應(yīng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的比較

高壓氫氣儲罐的使用壓力為70 MPa。采用氫氣透過鋁合金襯里進(jìn)行制作，符合世界上首次制定的關(guān)于氫與燃料電池汽車的統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)(GTR No．13)。在車輛后方座椅下安裝24 L儲氫罐，而在貨廂(行李廂)前方安裝117 L的儲氫罐，前后2個(gè)儲氫罐合計(jì)可以充填141 L的氫氣。氫氣儲存量相比傳統(tǒng)燃料電池車多25%。傳統(tǒng)車輛用氫氣儲罐壓力為35 MPa，充填氫氣171 L。經(jīng)改進(jìn)的結(jié)果表明，氫氣儲存量從4．0 kg左右增加到5．0 kg。氫氣儲罐安裝于靠近車輛前、后中心的位置。

供給氫氣系統(tǒng)的基本設(shè)計(jì)要求是不漏泄氫氣。也就是說，系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)上在各部位設(shè)置了氫氣傳感器，一旦發(fā)生了氫氣漏泄情況，氫氣儲罐的主斷流閥關(guān)閉，以切斷供給氫氣的管路。并且，在供給氫氣系統(tǒng)零部件上施加防護(hù)罩，漏泄的氫氣通過管道向車外安全地排放。遭遇碰撞時(shí)，系統(tǒng)檢測到氣囊傳感器的信號，切斷氫氣供給系統(tǒng)及電氣系統(tǒng)。也就是說，車輛遭遇追尾、沖撞情況等碰撞事故時(shí)，對于儲氫罐的保護(hù)，在設(shè)計(jì)上做到萬無一失，能夠完全保證安全。

4 驅(qū)動用蓄電池

本車型采用了鋰離子蓄電池組，設(shè)置部位是在前排座椅地板下(圖22)。相比傳統(tǒng)蓄電池的電池容量增加了10%，電池?cái)?shù)量增加了20%，功率提高到1．5倍。蓄電池組布置考慮了能夠最大限度地確保前、后座腳下的空間，并收納于密閉的柜體中。

圖22 在前排座椅的地板下安裝鋰離子蓄電池組，確保前、后座椅乘員腳底下的空間

圖23 使發(fā)電效率最大化的能量管理示意圖

5 行駛性能

Clarity燃料電池車1次充填氫燃料的續(xù)航里程為750 km(JC08工況)，在實(shí)際路況時(shí)可以行駛的里程隨著氣象條件、交通狀況、緊急起步，空調(diào)使用情況等會有較大的變化。例如，使用空調(diào)時(shí)行駛里程的目標(biāo)值，常年平均為500 km(參考值)。

使發(fā)電效率最大化的能量管理也是延長可行駛里程必不可少的要素，不過，能量管理程序上也會出現(xiàn)相反的情況。燃料電池存在發(fā)電效率較好的工作范圍，要是超出該范圍，經(jīng)濟(jì)性將會惡化。為通過能量控制以維持發(fā)電效率的最佳范圍，開發(fā)了預(yù)測邏輯(圖23)。先讀取行駛模式(曲線)，判斷在利用能量再生進(jìn)行蓄電池充電的工況下，可以積極地使用蓄電池提供的電力。在反復(fù)加、減速行駛狀況下，通過抑制燃料電池堆的發(fā)電波動，進(jìn)而提高燃油經(jīng)濟(jì)性。也就是說，為了增加行駛里程，還需要降低車輛的空氣阻力，各個(gè)部位的滾動阻力，以及降低各運(yùn)動部件的摩擦損失等。