德国版汽车工程手册：燃料电池驱动系统

目前汽车上几乎都采用点燃式发动机或柴油机驱动。它们是当前具有最高发展水平的、最紧凑的汽车驱动系统。缺点是：几乎完全与初级能源石油相关；在整个的典型行驶循环总效率相对较低；有毒的NO_x、HC、CO、PM排放以及温室效应气体CO₂排放。对减小这些缺点的要求激励开发新的汽车驱动方案。在这样的要求下，电动机或许是最佳的能量转换器，可能是在汽车上具备电源条件下的满意解决方案。但现下的蓄电池还有一些专门的缺点，使它在电动汽车上的使用受到部分显著的限制（参4.3.1小节）。这里提供了用氢气工作的燃料电池与电驱动结合作为解决纯电动汽车缺点的方案：

1）这种驱动系统的效率可高达内燃机驱动效率的2倍（图4.3-6）。

2）在对从油井到车轮（Well to Wheels）许多能量传输环节的观察中，燃料电池有很多能量上的优点。

3）在驱动汽车时没有有害物质，没有CO₂，只要在汽车上不使用甲醇或其他燃料。

4）在一些再生的氢气制造路径和在整个的环节中不会出现有害物质和CO₂排放。

图4.3-6 燃料电池和内燃机驱动的效率定性变化过程

5）氢气比电能易于储存，从而增加了汽车行驶里程。

6）输出功率与蓄电池功率相比，与能量能量储存器的充满度无关。

7）充灌时间与当今的液体燃料充灌时间相当。

8）氢气可从其他所有的原始能量材料（燃料）和原始能源中制备，这样可为多样化的能量供应作出贡献（参见5.9节）。

由于这些特征，几乎所有的汽车生产厂家开始研发燃料电池驱动，如戴姆勒—克莱斯勒已在20世纪90年代制造出第一批样车。目前在用户手中已有超过100辆燃料电池汽车进行世界范围最大的车队试验。

为了能与未来的内燃机驱动进行竞争，道路车辆的燃料电池驱动系统要有足够高的技术和经济要求。对燃料电池驱动系统的基本要求见表4.3-3。其他技术数据可由常规汽车的一般性能得到，如加速性、最高车速、爬坡能力、一次加燃料和充电的行驶里程。

表4.3-3 对燃料电池驱动的要求

此外还有舒适性要求、冬季冷起动能力和在高温环境下有足够的行驶功率等指标。

用户还没有准备好要改变现在的习惯，除非要到不再能保证足够的常规燃料供应的那个时候。

从各种燃料电池类型（表4.3-4）中，聚合物薄膜（PEM）燃料电池是汽车上最适用的。其他类型的燃料电池要采用改进的薄膜或另一些薄膜，使它们的工作温度超过100℃。

表4.3-4 燃料电池类型与特性数据

1.PEM燃料电池驱动结构

PEM燃料电池可分带甲醇-氢转化器的燃料电池系统和带纯氢气工作的燃料电池系统两种。下面仅对纯氢气工作的燃料电池作一说明。甲醇-氢转化器技术由于动态响应、排放和技术上的复杂性等原因，目前还很少用于大量的汽车上。

图4.3-7是燃料电池驱动系统各部件的概况。燃料电池驱动系统可分成反应堆模块、空气供给、加湿装置、阳极供给氢气以及相应的导入（氢气、空气）和导出（热量、蒸气）系统。功率管理是燃料电池与汽车间的电联系。通过相应的转换器管理一些高压部件，如电驱动必要时还有缓冲蓄电池，以及电驱动辅助装置。其他的系统部件为氢气压力罐以及将余热导给周围环境的热交换器。电子监控单元承担整个系统的安全性管理。

（1）燃料电池反应堆　燃料电池系统的核心部件为燃料电池反应堆，它由多达几百个电介质-电极（单格）串接而成。PEM燃料电池的电介质为很薄的聚合物薄膜（厚度约为20～50μm）。图4.3-8是薄膜-电极布置（MEA-Membran Elektroden Anordnung）的燃料电池结构和工作原理。阳极受到氢气进气冲击，阴极受到空气进气冲击。薄膜将这两种气体分隔开，并控制化学反应。在两电极上的薄的白金（Pt）导电膜起到催化剂作用，加速氢原子分子反应速度。氢原子分解为：

图4.3-7 燃料电池驱动的一些部件

H₂→2H⁺+2e^-

质子穿过薄膜到达阴极，电子聚集在阳极上，从而产生电位差。如果在电池外部的两极电气连接，则电流流动。在阴极上电子与质子和空气中的氧气反应生成水：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

反应时生成热量，热量必须散出。

聚合物-电介质薄膜对工作温度波动的反应非常敏感。特别要保持在定义的边界上的薄膜温度。

表4.3-5是燃料电池反应堆要保持最佳工作的工作温度和要求。

图4.3-8 燃料电池原理表示

表4.3-5 燃料电池反应堆的工作参数和要求

在最近几年，燃料电池技术取得很大进步。在燃料电池汽车进入市场前还要解决不少问题。表4.3-6列出了一些关键问题。

表4.3-6 燃料电池系统关键问题

至今已在研发中聚焦的一些技术目标，如寿命、耐用性、安全、可靠性、快速冷起动等，在今后则要把降低成本放在优先位置。下面用实例来说明由戴姆勒-克莱斯勒、福特和Ballard燃料电池联盟取得的有关寿命、冷起动能力和成本的进展。

1）寿命。“薄膜变薄”是反应堆的制约因素。为保证燃料电池有足够的寿命，需要弄明白薄膜变薄的机理和采取相应的反措施。

薄膜变薄的可能机理在燃料电池手册^[1]中作了描述。它始于阳极，在阳极通过向薄膜扩散的氧离子生成过氧化氢。如果同时存在金属离子，如Fe²⁺离子，则生成自由的过氧化氢基，它会损害薄膜。图4.3-9是薄膜衰弱现象。

图4.3-9 薄膜衰弱现象（资料来源：Ballard）

a）薄膜局部减薄 b）薄膜断裂强度降低导致破裂

与氢气扩散相通的阴极也有与阳极类似的薄膜变薄的机理。薄膜的高温和加湿不足加速薄膜的损害过程。

按这种机理的知识，改进的反应堆表明，虽然使用了更薄的薄膜（从50μm减为25μm），要在4倍循环数以后才出现典型的薄膜穿孔。

2）严寒下的冷起动。安全、可靠的再生和在严寒下快速冷起动是另一个必须解决的问题焦点。这样，燃料电池可以整天不受限制地在汽车上使用。主要影响参数是在结冰前在反应堆中的水的分布和在起动阶段，在低于水的冰点以下温度预热反应堆和形成水之间的平衡。必须精确监督和控制这两种情况。可用特殊的燃料电池结构形式达到这个目的，即保证燃料电池在正常工作和冷起动时既兼顾持久工作，又兼顾冷起动。

图4.3-10 在严寒起动时缩短起动时间（资料来源：Ballard）

图4.3-10是迄今在燃料电池冷起动时间的改进情况。至今的反应堆为达到50%的额定功率需加热150s；而改进工艺的反应堆，在8s内就可达到同样的功率。预见还可进一步缩短。

3）成本。到燃料工艺技术成熟，必须将成本降低到可接受的水平。反应堆的耐用性和寿命要达到能在汽车上应用的程度。研究，如Arthur D.Little^[2]的研究，是从反应堆成本中薄膜-电极布置（MEA）成本约占75%这一事实出发。在这费用中薄膜又是最贵的一项，接下来是Pt催化剂。为降低成本，重点主要集中在两个部件上。在用全氟化薄膜时湿度是导电的关键参量，它限制工作窗口。特别是薄膜工作温度不应超过100℃，否则薄膜上的水蒸发。因此，研究的重点也集中在不是含水很多的导电离子的高温薄膜上，高温薄膜的工作温度可达120℃^[3]。

降低成本的其他步骤是减少电极上的Pt导电膜。但仅减少Pt含量不会降低成本。在一定的Pt含量和在该含量时可达到的功率密度（催化剂效果）间有一个最佳值。目前认为Pt含量的可能值为0.3g/kW，这样，薄膜-电介质单元的成本约可达到5/kW。能源部（DOE-Department of Energy）2015年反应堆和驱动系统的目标值为50/kW。

概括起来，研发的目标可减为3个：在控制成本时增加有效功率；提高坚固性与可靠性；延长寿命和耐久性。只有研究机构（基础方面研究）和工业部门（应用方面研究）密切合作才能达到这些目标。相应的资助项目正在德国（CEP）、在EU层面（HyFLEET CUTE）、在美国（DOE-Freedom Car）和在日本（JHFC）实施。实施情况表明，原来提出的有关燃料电池驱动技术进入市场的乐观设想，由于它的复杂性要往后推迟。

（2）反应堆外设

图4.3-11 电驱动涡轮增压器

1）空气供给。通过空气模块向阴极供给空气（氧气）。空气模块包括空气滤清器、消声器和电驱动涡轮增压器。涡轮增压器压缩空气，其压力从部分负荷的1.1bar到全负荷制成较小的反应堆（-10%～15%）。空气模块也包括反应堆的压力控制。目前主要采用螺杆泵（压气机），在所需的压力和流量范围它是所有内部压缩的压气机中效率最高的^[4]。如果在未来使用无机油储存的电驱动涡轮增压器（离心式压气机）（图4.3-11），可有效地提高部分负荷范围的空气压力（图4.3-12），从而进一步减小欧洲新行驶循环（NEFZ）汽车的能量消耗。在相同的氢气储存容量时可增大汽车行驶里程。

图4.3-12 螺杆泵和离心式压气机特性线比较

2）空气加湿。当前，加湿吸入的空气大多采用复杂的水管理系统。水从排气中冷凝和以有效的方式供给吸入的空气。利用在中空纤维束的基础上做成的模块可以巧妙地实现空气加湿，如戴姆勒-克莱斯勒在它的最新的燃料电池研究汽车F600上进行的试验（图4.3-13）。这样可以同时给进、出空气加湿。这种空气加湿方法不仅减少部件数量、减轻重量，而且可减少1/3结构尺寸。还有一个优点是避免出现引起系统结冰的液态水。

图4.3-13

a）空气加湿简图 b）中空纤维束

3）阳极回路。在反应堆阳极侧有一个阳极模块，它由一个带再循环鼓风机的闭式回路和一个氢气计量单元组成。阳极模块的功能为：

①利用湿氢气的回流加湿燃料（氢气）质量流量。

②计量燃料（氢气）质量流量。

③氢气再循环，以避免阳极上过稀的燃料（氢气）区域。

采用闭式回路可使氢气损失降至最小，从而改善系统效率。只是要计量的氢气要与电化学转换的氢气一样多。当然，聚集的氮气会从阴极向阳极扩散。根据工作策略，需要适时短时间排气，最简单的排气是从阳极回路使空气进入阴极。

4）冷却。目前FEM燃料电池工作温度约为85℃，要比内燃机的工作温度（冷却液）110～120℃低。此外，内燃机还有约30%的总热量通过热的废气直接排入周围环境。

燃料电池必须将总的余热通过热交换器散入大气中。由于燃料电池的冷却介质与大气的温差低，而且尽管它有高的效率，仍比内燃机的余热约高出一倍，这对燃料电池汽车的冷却提出很大的挑战。按目前的技术状态，燃料电池汽车冷却装置要有高约3.5倍的冷却能力。虽然目前使用的薄膜潜在的工作温度可达95℃，但OEMs、供应商和研究机构正在努力研究工作温度能达110～120℃的新型薄膜。在这样的工作温度下可减少需要散走的燃料电池余热。(www.xing528.com)

简化整个系统是燃料电池向市场化迈进的重要一步。除提高燃料电池工作温度外，还有就是降低加湿装置费用，以及简化甚至取消阳极回路。

（3）移动式氢气储气罐　为实现用户习惯和要求的、能加灌燃料的汽车行驶里程，有必要进一步研究移动式氢气储气罐。除了高的比能量密度外，还提出了汽车对氢气储气罐的一些特殊要求：安全性设计、加灌操作简单、重量轻、安装尺寸小、抗机械加速力、足够的加放气循环、寿命高、可接受的成本。其他的评定标准是能量平衡。必要时储气罐的材料能再生。必须用特殊的工艺再生，如硼钠化氢。

目前已知的氢气储存方法见表4.3-7及5.9.5小节。在权衡所有的标准后，压力氢气储存看来是移动使用很有希望的一种方法。目前复合纤维压力罐压力可达700bar（图4.3-14）。中、长期的氢气储存取决于它的性能改进和可接受的成本的进展。由能源部（DOE）提出的2015年比内能目标值为3kW·h/kg或9%Hz以及2.7kW/L。目前还没有一种储存方法达到这个比值。

表4.3-7 移动式氢气储存特性数据

（续）

① 没有外设的储气罐，2005年状况，目标为DOE 2015年：3kW·h/kg、2.7kW·h/L。

图4.3-14 700bar压力储氢罐系统的CAD图

（4）混合型燃料电池驱动 整个动力总成系统为电驱动的燃料电池系统，必要时还有蓄电池。如果电驱动除燃料电池供电外还由高压蓄电池供电，则称为混合型燃料电池驱动。

目前驱动汽车的有各种型式的电动机（4.3.1小节）。道路车辆使用的电动机具有理想的转速-转矩特性。在很低转速就可提供最大转矩，还可短时过载。此外，电动机效率高、噪声辐射小，通常不需要多级变速器。

为辅助燃料电池，当前使用几千瓦小时（kW·h）容量和几十千瓦（kW）功率的蓄电池。蓄电池主要为镍金属氢化物。发展方向为锂离子蓄电池（4.3.1小节）。

在动力总成系统中增加蓄电池使整个系统复杂，但提供了一些优点，如在800A/s时满足对电驱动的动态性能要求。单独的燃料电池系统由于空气压缩的惯性，不能提供这样的电流增长率。利用蓄电池辅助就可毫无问题地实现这样的电流增长率。蓄电池还可回收制动能量，还可在气温低于5℃时容易地冷起动。此外，蓄电池还可减少燃料电池系统的功率。因为按目前的成本组成，较小的燃料电池要比由于蓄电池带来的附加成本还有较大的成本优势，从而可降低动力总成的整体成本。

2.安全性

像其他燃料一样，氢气更要求特别的安全性防范措施。采用有针对性的措施可以将氢汽车安全性风险水平达到常规汽车安全性风险水平。氢气与空气的混合气在氢气浓度为4%～77%的限宽范围，在有很小的点火能量时就会燃烧。因此，在正常工作时要防止氢气聚集。设计氢气的重要部件要保证在正常工作条件下的密封性能。乘员室也要针对氢气的重要部件很好密封。

移动式氢气储气罐在投入使用前要进行一系列的安全技术认证检验。在安装在汽车上后要按规定定期进行安全性复检。当然在安装时要尽可能将储氢罐放在防撞范围。

在发生故障时产生的氢气浓度变化可用当前车队中相应的气体传感器检测。根据氢气浓度的变化可激活可靠的、分级的安全性系统。

如果氢气浓度远离下燃烧边界，报警装置通过被动和主动的通风措施使汽车立即停下来。

当汽车发生燃烧，通过相应的安全装置排除氢气和控制火焰。

3.法律规范和标准

燃料电池进入市场前需要制定法律规范和标准。在很多的委员会（ISO/TC22/SC21，SAE和ICE）中正在进行相关的工作。其目标是建立统一的标准，以加速燃料电池技术的传播；给汽车生产厂家指明与生产有关的方向；向用户提供有吸引力供货条件的产品和在新技术安全性方面赢得用户的信任。

当前，欧盟（EU）立法已形成道路交通使用氢气的进一步法律框架^[5]。在欧盟各成员国中正在协调相应的法律。当然，这是当前常用的批准程序，它是批量生产汽车的EG车型认证，还没有用在氢气汽车上，在技术规范方面还要补充这个空缺。

氢气与汽油或柴油一样，定为危险品，生产法规也是一样的。在储存氢气时只限制很少的量，如在加氢气站，氢气视为化工品。显然，首先要用目前处理汽油和柴油的方式处理氢气，这是因为氢气是才发展起来的。作为对照尺度，对其他燃料适用的规范对氢气也应该适用。为减少现有的使用氢气的障碍，制订氢气加气站的规范不应太高，成本问题也不会由于税收和销售而增加。

4.燃料电池汽车

1994年戴姆勒-克莱斯勒展出了第一批燃料电池样车NECAR 1。首先只是论证燃料电池驱动汽车的可行性。从一辆车到另一辆车，燃料电池系统的重量和体积不断取得显著进步。单就燃料电池反应堆的比功率就从开始的48W/kg（NECAR 1汽车）增加到880kW/kg（F-Cell汽车）（图4.3-15）。同时还试验了各种氢气储存方法和试验使用其他燃料，如甲醇。试验表明，压力储存的纯氢气驱动的汽车具有明显优点。这样，戴姆斯-克莱斯勒对唯一采用氢驱动方案的一些汽车不断跟踪。其他一些汽车生产厂家寄希望于另一些氢气储存方式，如液态氢储存，这种储存方式可以在相同体积下储存更多的能量（氢），但其缺点主要在手操纵和首先是在总能量平衡方面。

（1）燃料电池乘用车和轻型载货车 目前驱动系统的所有部件已经很紧凑，它们可以安装在梅赛德斯A级车的地板中间（图4.3-7）。以F-Cell命名的汽车目前在很多车队中试验行驶。特性数据见图4.3-16。特别是按新的欧洲城市行驶循环（NEFZ）测定百公里燃料当量消耗只有3.6L/100km，从而证明了燃料电池驱动达到了期盼的高效率。基于这一理由，在生产氢气时比生产汽油、柴油多消耗的能量可以得到更多补偿。在生产氢气的很多环节（参见5.9.2小节），即从油井到车轮的整个链条中氢气具有很多能量上的优点^[6]。

图4.3-15 戴姆勒-克莱斯勒燃料电池演变

图4.3-16 燃料电池（F-Cell）汽车特性数据

在A级研究型汽车上所用的经改进的燃料电池驱动系统也安装在梅赛德斯-奔驰Sprinter汽车上。目前在德国和美国主要用于“一揽子”服务。在经常短时中断行驶的城市交通中，燃料电池驱动特别适合这种特殊的行驶状况。在经营氢气的初始阶段可以依托停车场（车库）实现较简单的基础设施。

为采用即将问世的驱动创新，常将在最近几代的示范汽车和车队汽车用于研究型汽车中并检测。图4.3-17是戴姆斯-克莱斯勒的最新型燃料电池样车F600“Hygenius”。该车首先采用了700bar的压力氢气储存技术，使汽车行驶里程超过400km。同时表明，利用中空纤维束加湿技术可以取消现有的反应堆氢气回路。这样，汽车可以在负的大气温度下冷起动。这些技术已在最新一代的试验车队的汽车B级车F-Cell上进行全天的行驶试验（图4.3-18）。

丰田、本田、现代、日产、通用、福特和大众同样研发了样车，它们几无例外地装备PEM燃料电池驱动系统（图4.3-19）。

（2）燃料电池公共汽车 在公共的近距离的人们交通领域使用燃料电池驱动的汽车有其优点。特别是在城市范围没有有害物排放，只是在停车场（车库）需要建设必要的加氢基础设施。

图4.3-17 Hygenius汽车

a）研究型乘用车F600“Hygenius”外形

b）F600 Hygenius特性数据

图4.3-18 B级车F-Cell

a）B级车F-Cell汽车剖面图

b）特性数据

图4.3-19 各汽车生产厂家生产的燃料电池汽车

在梅赛德斯-奔驰Citaro城市公共汽车基础上制造了燃料电池公共汽车。这些公共汽车每天在10个欧洲国家进行运送乘员的试验。图4.3-20是燃料电池驱动系统集成在公共汽车上的情况。表4.3-8是它的重要特性数据。

（3）示范和车队试验 在进入市场成熟的路上，车队试验是重要的一环。车队试验可从整天行驶中提供重要的测量数据和进一步改进工艺技术的提示。为此，要在现有的汽车电子技术基础上附加配备一些传感技术和数据记录器。为使汽车不受这些配备的干扰仍能正常行驶，需采取一些预防措施。另外它也能给研究工程师提供进一步研究的技术信息与数据。在戴姆勒克莱斯勒燃料电池汽车中每1s有60个重要参数多次记录在数据存储器中。如果出现了事先没有定义的情况，如部件不正常的温度升高，则检测参数的数目要提高10倍。当汽车返回到企业的基地后，利用功能传输读出数据并通过因特网传输到中央服务器。然后，利用数据开发程序（Data-Mining Verfahren），计算机独立地识别各参数间的关联和对出现的问题作出判断和评价。这样就可快速地分析大量数据并找出最复杂的错误源和它们间的关联（图4.3-21）。

图4.3-20 Citaro公共汽车驱动系统

表4.3-8 Citaro公共汽车技术数据

①与国家有关。

②与常规CITARO柴油机公共汽车相当。

③比柴油机汽车OM906（205kW）更胜一筹。

目前世界范围有几百辆正在试验的燃料电池汽车^[7]。单戴姆勒克莱斯勒就有60辆F-Cell汽车、36辆Citaro公共汽车和3辆Sprinter燃料电池汽车。至2007年5月，累计总行驶里程约400万km。另外，世界范围还有几百辆燃料电池汽车正在车队试验中，它们在国家资助的合作项目框架内，如图4.3-22所示。目标是示范和进一步开发燃料电池汽车技术；示范氢气基础设施的可行性；确认进入市场的障碍和提高大众对这些技术的认知。

1998年在加利福尼亚首府萨克拉门托（Sacramento），汽车生产厂家、能源公司、燃料电池开发者和政府机构合股成立加利福尼亚燃料电池（CaFCP—California Fuel Cell Partnership）机构。德国联邦政府支持类似项目、清洁能源合股和在欧洲公共汽车项目CUTE和ECTOS框架内，在10个欧洲国家有30辆燃料电池公共汽车行驶。

图4.3-21 FDA示意图

图4.3-22 清洁能源合股（CEP）汽车

5.燃料供应和基础设施

氢气除没有碳外，它的另一个优点是可从很多初级能源中生产出来，它为交通领域能源供应的多样性作出贡献。长期以来，氢气由再生能源（光电、风能、地热、水能）微生物生产出来，也可利用新的核能设施生产出来。利用这些能源，到汽车行驶都没有CO₂排放，至少是没有新生成的CO₂。在衔接阶段，氢气或许可从天然气通过水蒸气重整工艺取得。当燃料电池汽车采用这种重整工艺取得的氢气时，在很多能量环节中尽管生产氢气这一环节有较多的能量损失，但总的能量平衡仍好于汽油机和柴油机汽车。与内燃机直接使用天然气相比仍有能量上的优势^[5]。更多信息参见5.9.5小节。要在交通领域有效地使用氢气，燃料电池技术必须进一步向市场成熟方向迈进。另外要有一个覆盖广大地区、运行良好、用户友好的加氢网络。

依托停车场（车库）的汽车（如城市公共汽车车队），用户有权利用停车场（车库）的少数加氢站，满足一般用户加氢的需要。面对广阔的市场需求，必须逐步增加基础设施。在初始阶段，可以利用当地积累起来的、在示范试验框架内的一些加氢站。各个加氢站群将逐步向远程公路延伸并相互连接，最后形成一个覆盖广大地区的加氢站网络。

6.前景

在欧盟委员会领导下，欧洲所属工业企业和研究机构在“氢气和燃料电池平台（HFP-Hydrogen and FuelCell Platform）”上为欧洲研发氢气汽车。约到2015年，燃料电池汽车和必要的加氢基础设施可达到市场成熟的程度，其依据是燃料电池开始进入市场。此后还要可观的财政投入和费用，以进一步地进行技术开发，包括示范计划；增加现有加氢设施网点；建立持久的氢气生产能力的设备。与上述相关的是将几代燃料电池汽车相互交错进行车队试验（图4.3-23）。只能在国家或欧洲框架内通过长期的国家和私人的合股才能筹措到高额的、必要的费用。

图4.3-23 到商业化的燃料电池汽车发展阶段

参考文献