郭 婷，王 芳，楊沄芃

(中國汽車技術(shù)研究中心有限公司， 天津 300300)

我國目前主要以電-電混合的增程式燃料電池動力系統(tǒng)為主，燃料電池的功率輸出較小，還面臨許多卡脖子的技術(shù)，如在燃料電池冷啟動能力、燃料電池系統(tǒng)的控制策略、燃料電池堆的體積功率密度、高速無油空壓機產(chǎn)業(yè)化技術(shù)等多方面。國際上先進的燃料電池國家和企業(yè)，其基礎(chǔ)設(shè)施和法律法規(guī)目前都趨于完善，在技術(shù)上也較成熟，但并沒有好的市場；而國內(nèi)恰好相反，國家政策的支持和行業(yè)的引導(dǎo)使其有很好的市場(趨勢)，但是在氫能產(chǎn)業(yè)鏈、安全生產(chǎn)、關(guān)鍵技術(shù)方面與國外還有不小差距。

本文通過對比國內(nèi)外的燃料電池相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)，以及國內(nèi)外先進燃料電池的測試數(shù)據(jù)，對影響燃料電池的關(guān)鍵技術(shù)進行解析，為燃料電池的技術(shù)提升提供參考。

1 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)對比

目前，針對燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)體系國內(nèi)外有明顯的不同，中國的法規(guī)是依據(jù)國情進行自主判定，而國外大部分法規(guī)是根據(jù)協(xié)定國的標(biāo)準(zhǔn)進行共同制定，如日本、韓國、美國等協(xié)定國進行商定，共同制定歐標(biāo)、美標(biāo)等。我國標(biāo)準(zhǔn)體系分為整車級標(biāo)準(zhǔn)和部件級標(biāo)準(zhǔn)，標(biāo)準(zhǔn)體系正在完善中。國際上只有整車級標(biāo)準(zhǔn)，沒有部件級標(biāo)準(zhǔn)。

燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系中最注重整車氫安全，國內(nèi)主要依據(jù)GB/T 24549—2009[1]進行法規(guī)認(rèn)證，國際主要依據(jù)GTR13[2]和UNR134[3]，GTR13與UNR134除歸屬不同外，其內(nèi)容完全相關(guān)。國內(nèi)外主要有以下幾點不同：第一，GB/T 24549—2009[1]中主要是包含整車的功能安全、氫安全和電安全，而國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13[2]和UNR134[3]大部分的測評研究集中在氣瓶本身；第二，國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13[2]和UNR134[3]中針對氫安全的測評內(nèi)容更加詳細(xì)，包括車內(nèi)的供氫氫氣傳感器的測評，車內(nèi)氫氣濃度的測評等。我國關(guān)于整車級的其他性能方面的標(biāo)準(zhǔn)，如燃料消耗量、續(xù)駛里程測量等，都在相繼的制定中，暫時沒有標(biāo)準(zhǔn)出臺。

部件的測評目前采用的標(biāo)準(zhǔn)有加氫口(GB/T 26779—2011)[4]、車載氫系統(tǒng)(GB/T 26990—2011)[5]、燃料電池系統(tǒng)(GB/T 24554—2009)[6]等，都是強制執(zhí)行的推薦性標(biāo)準(zhǔn)；針對車用氫氣瓶，采用GB/T 35544—2017[7]進行產(chǎn)品認(rèn)證，包括對氣瓶的常規(guī)試驗和耐久試驗，如火燒試驗，溫度壓力循環(huán)試驗，環(huán)境試驗等。而國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13[2]和UNR134[3]將這部分內(nèi)容與整車氫安全放到了一個標(biāo)準(zhǔn)中。

為了使燃料電池的標(biāo)準(zhǔn)全球統(tǒng)一化，我國在修訂GB/T 24549—2009[1]的過程中也參考了國際標(biāo)準(zhǔn)GTR13[2]。標(biāo)準(zhǔn)的制定與行業(yè)的發(fā)展不匹配是目前制約燃料電池產(chǎn)業(yè)化的重要因素，我國也積極參與國際相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的制修訂，加快燃料電池標(biāo)準(zhǔn)體系的搭建。

2 關(guān)鍵技術(shù)對比

2.1 國內(nèi)外技術(shù)水平狀況

針對燃料電池部件級的檢測，最重要的是對燃料電池系統(tǒng)的性能檢測。國內(nèi)對燃料電池系統(tǒng)的檢測按照GB/T 24554—2009[6]進行。部分國內(nèi)先進的燃料電池測試結(jié)果見表1。在功率方面，已經(jīng)由原來補貼要求的30 kW上升到40 kW及以上的水平;在啟動的時間上也有很大程度的減少，目前已能夠達(dá)到在5 s內(nèi)完成啟動的技術(shù)水平；冷啟動方面也能夠達(dá)到 -10 ℃甚至是-20 ℃的能力；效率方面，在功率密度方面還有待于繼續(xù)提高。

表1 部分國內(nèi)先進燃料電池的測試結(jié)果

在國際方面，以豐田、本田、現(xiàn)代為首的燃料電池系統(tǒng)屬于國際一流水平，功率均在100 kW以上，在壽命和冷啟動等關(guān)鍵參數(shù)上也能夠滿足乘用車商用化的需求，部分國際先進燃料電池指標(biāo)參數(shù)見表2。

表2 部分國際先進燃料電池指標(biāo)參數(shù)

可以看到，在系統(tǒng)層級的技術(shù)上雖然已經(jīng)有極大的提升，但是在許多關(guān)鍵技術(shù)上還與國外有一定的差距，如冷啟動的能力、系統(tǒng)的控制集成能力及水管理和熱管理能力。

2.2 冷啟動技術(shù)

低溫冷啟動一直是燃料電池汽車廠家不斷追求的技術(shù)。我國目前沒有針對燃料電池整車和關(guān)鍵部件的低溫冷啟動測試標(biāo)準(zhǔn)要求，正在修訂的GB/T 24554—2009[6]中會修改燃料電池發(fā)動機在低溫下的啟動要求?，F(xiàn)階段，對于質(zhì)子交換膜燃料電池在無外援輔助的情況下進行低溫冷啟動較困難，大部分都是采用外部輔助的方法，如保溫法、加熱法和吹掃法。

豐田燃料電池汽車Mirai具備-30 ℃低溫冷啟動的能力[8]，主要采用吹掃的模式，對內(nèi)部的水含量進行嚴(yán)格的監(jiān)控和把關(guān)。具體的水控制邏輯為系統(tǒng)啟動-快速暖機-水含量控制-關(guān)機吹掃-停機吹掃，通過這幾個步驟對內(nèi)部的水含量進行嚴(yán)格控制。

Ballard 公司采用保溫法提升燃料電池冷啟動的能力，其型號1100燃料電池模塊能夠在無外援的情況下在-15 ℃進行啟動。其主要的方法是利用電堆中安裝的保溫箱將冷卻水溫度保存下來，下次啟動時利用保存的溫度進行加熱。

國內(nèi)大部分燃料電池系統(tǒng)還是采用吹掃和保溫的方法，在進入環(huán)境艙進行低溫測試之前，保證內(nèi)部的水完全吹干，在進行12 h的冷凍后，通過外部熱源加熱進行低溫啟動，目前一般能夠達(dá)到-15 ℃的水平，但時間較長。

2.3 集成技術(shù)

燃料電池發(fā)動機一直在與傳動發(fā)動機進行對比，其小型化和能量密度一直是各大車企追求的目標(biāo)。為了更好地解析燃料電池系統(tǒng)的集成技術(shù)，需要先了解其包含的主要零部件。燃料電池系統(tǒng)主要包括空氣供應(yīng)、氫氣供應(yīng)和熱管理等系統(tǒng)?？諝夤┙o系統(tǒng)主要包含空壓機、過濾器、空氣截止閥和背壓閥等。氫氣供給系統(tǒng)的主要零部件有氫氣循環(huán)泵、隱射器、氫氣截止閥、吹掃閥、排水閥等。熱管理系統(tǒng)主要包含水泵、散熱器、加熱器和雙向閥等。為了提高集成度，燃料電池系統(tǒng)在設(shè)計之初就要將其考慮在內(nèi)。如韓國現(xiàn)代汽車公司開發(fā)的NEXO燃料電池系統(tǒng)[9](圖1)，與傳統(tǒng)的發(fā)動機外觀極其相似，為了使體積做到更小，其主要采用以下幾種措施：一是采用了全新的熱管理系統(tǒng)，利用雙向閥門和四向閥門改善電堆制冷劑的溫度控制的響應(yīng)性；二是在空氣控制系統(tǒng)一側(cè)，空氣進氣閥和空氣出氣閥集成為一個小的零部件；三是氫氣循環(huán)系統(tǒng)將傳統(tǒng)的循環(huán)方式變成引射器模式，大大減小了體積。

圖1 NEXO燃料電池系統(tǒng)圖例

本田汽車公司對Clarity 也進行了小型化的研究，其質(zhì)量功率密度居于世界領(lǐng)先水平。其小型化的設(shè)計原則是降低零部件的體積，提高能量的利用回收率：首先是通過取消電池的隔離橡膠來減少燃料電池堆的尺寸，同時保證了燃料電池內(nèi)部不會被腐蝕；其次是通過調(diào)節(jié)冷卻劑的電導(dǎo)率和冷卻泵的體積，改變冷卻系統(tǒng)管道長度等方法，成功地將冷卻系統(tǒng)的體積減小20%。

3 結(jié)束語

面對目前在燃料電池技術(shù)水平上的差距，本文分析了影響燃料電池汽車性能的幾點關(guān)鍵因素，包括冷啟動能力、系統(tǒng)的集成度以及國家標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)政策等方面，并對國外先進的燃料電池整車及零部件進行了對標(biāo)分析。