让燃料电池呼吸起来

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欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 戴姆勒下属的NuCellSys公司一直在改良燃料电池组的供气系统，目前有一个新系统正在开发当中。 氢动力燃料电池汽车不仅自身没有二氧化碳排放，而且其燃料的生产也鲜有二氧化碳产生。这种情形在一次能源来自于可再生能源时尤为突出。即便是来自于压缩天然气，二氧化碳的排放也比通常的内燃机低46%。这是因为燃料电池整体传动效率较高的原因。 这种新能源电动车的氢燃料电池系统包括一个燃料电池组、氢存储系统，以及用来在刹车时回收能源的高压电池，以及一个电机。 一个电池组里面有数百个串联的单个电池。每个电池都会向其供应氢和空气，两者通过双极板通道流过，而车辆散热器的冷流通过第三个通道流过每一个电池。燃料仓的氢供应是注入氢模块内的。这个模块的作用是管理电池组的燃料供应和阳极的水。模块包含一个压力调节器、水分离器、氢再循环装置以及释放冷凝和惰性气体的阀门。 呼吸的必要性 供气系统为电池组提供了阴极正常反应、氧气与氢气的质子和电子重新结合，从而产生水和热量所需的气流和压力。主要元件是空气压缩器，动力来自高压辅助驱动器 (AUX-Drive)。 供气系统对电池组的性能和系统整体效率的影响很大。电池组的性能受制于供气系统提供的工作压力。性能的提升与空气压力的增加并不成比例，随着压力的增加，性能改善幅度降低。 影响电池组性能的另一个参数是空气化学计量比。化学计量比明确了进气流中的氧气比例以及电池组的耗氧量。空气化学计量比较高的话，电池组的性能也会提升。这要求供气系统提供较高的气流，这样燃料电池系统所需的辅助动力就会走高，进而降低系统效率。 空气压力和空气化学计量比这两个参数对于供气系统的设计非常重要。系统整体优化要平衡好电池组性能提升和供气系统的辅助动力需求。 由于电池组的性能对空气压力高度敏感，所以这个参数必须优化。这里必须针对每个系统进行单独优化，因为压力取决于电池组应用的技术、所用供气系统的技术，以及供气系统的能量回收是否使用了膨胀设备。 要将环境中的空气引入压力燃料电池组，有几种压缩技术可用。这些技术必须实现无油运行，因为油可能会污染燃料电池膜电极组（MEA）上的催化剂。 戴姆勒下属的NuCellSys公司的研究人员比较了两种供气方法：螺杆式压气机和电动涡轮增压机。 NuCellSys公司的燃料电池系统开发是基于梅赛德斯-奔驰公司燃料电池轿车过去七年里两百多万公里的实地运行经验上进行的。梅赛德斯-奔驰A-Class轿车整合了上一代乘用车的系统；该系统2004年启用以来，已经以车队的形式在车辆上应用了多年。梅赛德斯-奔驰B-Class轿车的系统更强劲，拥有冷启动能力，燃料电池系统效率更高，可行驶里程和耐久性都得到了提高。 第一代系统 NuCellSys公司的上一代供气系统有三个主要部件：螺杆式压气机、螺杆膨胀机，以及辅助驱动器 （AUX-Drive）。辅助驱动器与螺杆式压气机的阴转子相连，而螺杆膨胀机则通过皮带系统与供气系统的主轴连起来。 使用膨胀机的主要目的是在全负载运行时协助辅助驱动器。当时可用的辅助驱动器并不能在燃料电池系统运行要求最高的时候完全达到特定压气机出口压力和气流的轴动力要求。因此决定在全负载运行时由螺杆膨胀机提供大约2kW的轴动力。为了在整个运行过程中优化系统效率，就要避免螺杆膨胀机产生任何阻力。因此，工程人员在膨胀机的皮带系统上安装了一个自由滑轮，以确保膨胀机不会为供气系统带来寄生功率。 由于燃料电池系统里面存在液态水，供气系统会将部分水注入到螺杆压气机内。采取了这个措施，就可能在全负载时在没有中冷部件的情况下将压气机的效率提高4%。 供气系统的噪音和振动主要来自于压气机和膨胀机。由于车辆里并没有留下太多空间，要想控制好两种螺杆式装置的剧烈噪音和振动并非易事。尽管在降低供气系统的噪音上已经做了大量的工作，但是最终空间的限制导致工程师离达到NVH标准还是差一点。 上一代供气系统有两大优势： * 将供气的寄生功率降低了约2千瓦； * 无需使用中冷器。 * 上一代供气系统弊大于利的地方： * 螺杆膨胀机带来了一个新的噪音源； *由于在压气机里面注水，所以没有冷启动功能，并且膨胀机有可能冻坏或者阻塞； *压气机和膨胀机的腐蚀问题。 液态水的存在导致以下问题： *压气机和膨胀机轴密封系统（钢铁、水、密封材料）的摩擦问题； *尺寸过大； *设计不利于组装、保养以及维修； *膨胀机要求单独的管道系统。 第二代系统 目前这一代开发计划的主要目标是在增加冷启动能力的同时保持并且提高系统效率。另外还要求大幅度提高系统在NVH方面的整体表现。 系统工程分析的结果是要取消注水和膨胀机。为了补偿膨胀机的能量回收和注水对系统效率的提高，就要优化供气系统的整体寄生功耗情况。这就要求一个新的供气概念，工程师也倾向于进行全新的设计。 新的设计理念引入了新一代的辅助驱动器和螺杆压气机。新举措还包括在螺杆压气机叶片上采用聚四氟乙烯（PTFE）涂层以提高系统效率。另外还在压气机进口和出口直接加了消音器以达到NVH要求。为了避免系统自身的噪音，通过特别开发的退耦元素将整个供气系统与车架分离开来。为了降低空气传播噪音，特意将供气系统安装在一个隔音罩里面。 由于取消了注水方式，就在设计概念里面增加了一个中冷器。为了降低外部尺寸，中冷器和消音功能整合在了一起。 由于引入了启停策略，第一代系统由于供气方面的问题造成的燃料电池总功率在0到4kW低位的现象不会再出现了。在这个功率范围之内，新一代的燃料电池车辆是由高压牵引电池驱动的，而燃料电池系统则关闭了。 新一代供气系统的优势包括： *不受冷启动限制； * NVH方面表现良好； * 灵活的压力/流量特征； * 新增启停功能； * 稳定性增强； * 安装简便； * 部件数量减少； * 寿命提高。 挑战还是有的，主要包括： * 体积大； * 重量高； * 不能回收燃料电池废气的能量 * 在NVH上投入了大量的精力。 未来一代的系统 未来一代供气系统的运行机理从恒排量转为涡轮机。 配备了压气机、电机以及涡轮机，该系统称为为电驱动涡轮增压器（ETC）。由于运行机理的改变，就要考虑与涡轮机相关的特征，因为这不仅影响到供气系统本身，还会影响到整个燃料电池系统。 典型的涡轮机相关特征包括非常高的轴转速、相当“平坦”的等速线，以及喘振时可能发生损坏。 轴转速大约是现有系统的五倍。轴转速与旋转部件的转动惯量形成了系统内部的运动能量。为了达到同样的瞬时性能水平，ETC加速所需电量比现有供气系统的螺杆压气机和辅助驱动器多得多。 由于涡轮压气机特性曲线图较平坦，系统压力的微小变化都会引起流量较大的变化。这种变动会引起轴速的起伏，因而控制策略必须非常灵活。 压气机喘振一般会引起系统气流突然逆转，螺旋桨停转。因此，必须避免这种现象以确保涡轮压气机的运转窗口比像螺杆压气机这样的恒排量压气机小得多。 由于新一代供气系统的尺寸大幅度降低，现在第一次有可能将整个燃料电池的传动系装在普通乘用车的发动机空间里。有了这一步，原先的内燃机平台也可以用燃料电池发动机了。 未来一代供气系统的优势包括： * 不受冷启动限制； * 应用涡轮机废气来回收能量； * NVH表现不错，而且不需要采取特别措施； * 安装简便； * 体积小； * 重量低； * 使用寿命长。 存在的问题包括： * 轴转速非常高； * 等速线较“平坦”； * 喘振可能引起损坏。 未来的发展目标是进一步提高空气压缩效率，降低重量和尺寸。这可能会导致压缩技术在更高的速度水平上运行。（本文基于SAE International技术文献，编号为2012-01-1225，作者为NuCellSys公司的Massimo Venturi博士。） 1、梅赛德斯-奔驰B-Class F-Cell轿车采用新一代供气系统。 2、氢燃料电池车的主要元件。 3、每个电池都向其供应氢和空气，两者通过双极板通道流过，而车辆散热器的冷流通过第三个通道流过每一个电池。 4、梅赛德斯-奔驰B-Class F-Cell燃料电池子系统（从左上图开始顺时针序：增湿器、空气模块、阳极模块、电堆以及配电箱）。 5、电池组入口处的气压对电池组极化曲线有直接的影响。

文章内容仅供参考 (投稿) (4/10/2013)