氢燃料电池汽车动力系统与储氢系统的研究

2 氢燃料电池汽车动力系统技术研究状况
2. 1 国内氢燃料电池车动力系统的研究现状 清华大学汽车节能与安全国家重点实验室承担
的“燃料电池城市客车”—“国家 863 电动汽车”项 目，其中重点研究的核心技术便是混合动力控制系 统。清华大学采用不同的技术措施（ 国内的系统是 小型燃料电池与蓄电池混合，而奔驰公司采用燃料 电池作驱动） ，研发出了“清华 ECU”的能量混合型 与功率混合型动力系统，且整车行驶故障率、主要性 能指标及制作成本都优于国际水平［12］。
图 1 燃料电池－锂离子电池混合动力 系统结构图
在该混合动力系统中，燃料电池作为主要动力 源，锂离子动力电池组作为辅助动力源。汽车运行 时主要采用燃料电池系统提供电力； 锂离子动力电 池 主 要 起 调 峰、增 容、回 收 能 量 的 作 用。 当 汽 车 加 速、上坡时，锂离子电池作为辅助电源提供电力； 当 汽车下坡、减速时，锂离子电池组回收燃料电池的富 余电能； 该混合动力系统还可通过两种电池同时工
Dec． 201பைடு நூலகம் ·36·
现代化工 Modern Chemical Industry
第 33 卷第 12 期 2013 年 12 月
氢燃料电池汽车动力系统与 储氢系统的研究
倪红军，吕帅帅，裴 一，陈林飞，袁银男 ( 南通大学机械工程学院，江苏 南通 226019)
摘要： 介绍了一种新型氢燃料电池－锂离子电池混合动力系统； 总结了氢燃料电池汽车动力系统和车载储氢系统的国内外
NI Hong-jun，LV Shuai-shuai，PEI Yi，CHEN Lin-fei，YUAN Yin-nan
（ School of Mechanical Engineering，Nantong University，Nantong 226019，China）
Abstract： A new type of hydrogen fuel battery-Lithium-ion battery hybrid power system is introduced． The current hydrogen fuel cell vehicles power system and automotive hydrogen storage system at home and abroad are summarized． Energy efficiency factors as well as means to improve energy efficiency of fuel cell hybrid system are discussed．
Gao 等［15］分析比较了纯电动汽车、氢燃料电池 车、混合动力汽车 3 种新能源汽车的发展潜力。作 者通过基础设施和技术的要求定性比较得出，氢燃 料电池混合动力汽车的未来发展将比燃料电池汽 车、纯电动汽车具有更高的效率。 2. 3 车载储氢系统的研究现状
储氢技 术 是 氢 能 应 用 走 向 规 模 化 的 关 键。 目 前，常见的储氢方式有金属氢化物储氢、高压储氢、 低温储存液氢。其中，金属氢化物储氢密度最高而 质量密度最低； 低温液氢储存的经济性不如高压储 氢，但加速性能、储氢密度、最高车速和续驶里程等 汽车性能方面，液氢存储方案更具有优势； 高压储氢 装置体积密度低，但是技术成熟可靠，是目前最常见 的储氢方式［16］。
3 车用燃料电池动力系统能源效率的影响 因素
长春理工大学王金龙等［21］以国产某 500 W 氢 / 空燃料电池为核心构建了燃料电池效率测试平台系 统，根据燃料电池工作原理及测试平台的性质，建立 了燃料电池效率与电池功率及反应气流量之间的关 系式，通过实验研究得出，对电池效率影响显著的为 反应气压力，当反应气压力较低时，电池的初始效率 也很低； 在最大功率的 30% 之前，电池效率随功率 的增长而迅速增大； 当达到最大效率点时，电池效率 随功 率 的 增 加 而 缓 慢 下 降； 当 在 最 大 工 作 功 率 70% ～ 80% 以后，下降幅度稍有增加。在最大效率 点前端，效率随反应气压力的增大而明显增加； 在其 之后随电池的输出功率的增大，反应气压力对电池 的效率影响逐渐减弱。通过研究还得出，反应气的 增湿温 度 与 电 池 的 温 度 对 燃 料 电 池 的 效 率 影 响 较小。
图 2 储氢材料与高压容器复合的 储氢新模式结构
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现代化工
第 33 卷第 12 期
复合式储氢的技术难点是如何开发质量轻、加 工性良好和吸放氢性能好的储氢材料。密歇根大学 Li 等［20］提出了“溢流储氢”概念，对于促进吸附式 储氢是有利的。据相关报道，金属 －有机配位子结 构材料（ MOFs） 是一种良好的轻量化储氢材料。美 国国家标准和技术局的 Taner Yildirim 博士领导研 究小组发现，钛和一种乙烯小型碳氢化合物能够形 成稳定的复合结构，这种材料能够吸收相当于其质 量的 14% 的氢，弗吉尼亚大学 Philips 等［18 － 19］通过 实验证明了上述结论。
研究进展，并讨论了车用燃料电池动力系统能源效率的影响因素以及提高动力系统效率的途径。
关键词： 氢气； 燃料电池； 锂离子电池； 动力系统； 储氢系统
中图分类号： TK01 + 9
文献标志码： A
文章编号： 0253 － 4320（ 2013） 12 － 0036 － 03
Power and hydrogen storage system for hydrogen-electric hybrid fuel cell vehicles
2013 年 12 月
倪红军等： 氢燃料电池汽车动力系统与储氢系统的研究
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作的方式，提高汽车的续航里程和能量容量，其中燃 料电池堆的最大可输出功率与锂离子电池组的最大 可输出功率之比为 1∶ 0. 1 ～ 1∶ 0. 7［4，7 － 8］。
燃料电池－锂离子电池混合动力系统充分结合 了锂离子电池和燃料电池的优点，从而提高动力系 统的可靠性，延长燃料电池和锂离子电池的寿命，同 时可满足汽车能量回收等方面的要求［9 － 11］。
4 结语
燃料电池混合动力系统已在某些新能源汽车上 运用，将是未来汽车行业发展的主流。为了提高系 统的能量效率，应对燃料电池与动力电池系统的控 制策略进行优化，并减少附加功率消耗； 同时应采 用小电流对 动 力 电 池 进 行 充 电，电 池 和 气 体 增 湿 温度应选择 一 个 合 理 的 温 度 范 围，从 而 简 化 控 制 系统。
对于储氢系统，美国能源部提出燃料电池汽车 车载储氢目标是： 储氢体积密度为 60 kg / m3 、储氢 质量密度为 6% 。根据现有的储氢方案，只有低温 储存液氢技术能达到上述指标，其他储氢技术都无 法满足。但是低温储氢的能耗与成本很大，作为车 载储氢并不是最佳选择［17］。
如何减小储氢系统的质量与体积，是储氢技术 开发的难点和重点。一个比较理想的方案是，采用 高压储氢与储氢材料复合的储氢新模式，即在高压 储氢器皿中填装质量较轻的储氢材料。这样的装置 与纯高压储氢方式相比，既可以提高储氢能力，又可 以降低储氢压力（ 约 10 MPa） ，其结构如图 2 所示。
收稿日期： 2013 － 07 － 23 基金项目： 国家科技支撑计划课题（ 2011BAG02B10） ； 江苏高校优势学科建设工程资助项目； 江苏高校科研成果产业化推进工程项目（ JHB2012 －
45） ； 南通市应用研究计划项目（ BK2011029） 、南通大学自然科学项目（ 11ZY007） 作者简介： 倪红军（ 1965 － ） ，男，教授，研究方向为新能源汽车和燃料电池，ni． hj@ ntu． edu． cn。
1 燃料电池－锂离子电池混合动力系统
如图 1 所示，燃料电池－锂离子电池混合动力系 统包括电机控制系统，由燃料电池、燃料电池辅助设
备、燃料电池监测控制装置组成的燃料电池子系统， 由锂离子电池组和锂离子电池控制装置系统组成的 锂电池子系统，由充电控制器、DC / DC 变换器、继电 器、可控硅构成的充电控制子系统，以及智能混合电 源管理系统［7］。
清能华通与苏州金龙合作共同开发生产的氢燃 料电池公交车釆用燃料电池发动机和动力电池作为 混合动力源，燃 料 储 氢 罐 放 置 在 车 后 方，并 能 通 过 CAN 总线对氢燃料电池、电机、动力电池等进行优 化控制。
武汉理工大学研发出“楚天一号”，同济大学研 发出超越系列（ 超越一、二、三号） 燃料电池与动力 电池混合动力系统汽车。 2. 2 国外氢燃料电池车动力系统的研究现状
由华南理工大学与广州益维电动汽车有限公司 共同合作，研发出“燃料电池－锂离子电池混合动力 轻型电动汽车”，其中燃料电池功率为 5 kW，达到连 续稳定运行时间 ＞ 8 h，无故障运行时间 ＞ 3 000 h， 启动时间 ＜ 1 s 等性能指标［13］。
上海汽车研发的“上海牌”燃料电池汽车，采用 高功率燃料电池和动力锂电池联合驱动，储氢系统 采用 35 MPa 高压储氧瓶。由于采用稳定安全的锂 电池，“荣威 350”电动汽车具有快速充电和正常充 电功能［12］。
Key words： hydrogen； fuel cell vehicle； li-ion battery； power system； hydrogen storage system
21 世纪，随着经济社会的飞速发展和科学技术 的进步，全球汽车产业得到迅猛发展。由此引发的 能源短缺和环境污染问题已经成为当今社会的两大 突出问题。为寻求人类社会与汽车产业的可持续发 展，电动汽车（ electric vehicle，EV） 的开发利用越来 越受到世界各国政府和汽车产业界的高度重视［1］。 燃料电池汽车是公认的可以同时解决能源和环境问 题的绿色环保车，也被认为是电动汽车的最终选择， 是今后汽车发展的主要方向之一［2 － 3］。然而，受储 氢系统技术、成 本、寿 命 和 可 靠 性 等 诸 多 因 素 的 制 约，使得纯 燃 料 电 池 汽 车 很 难 真 正 市 场 化 运 行［4］。 针对启动时需要较大的功率输出，瞬态响应以及电 池系统的成本等目前纯燃料电池车所面临的一系列 问题，世界各国汽车制造商开始把注意力转移到燃 料电池与 其 他 动 力 源 结 合 的 混 动 车［5］。 通 常 采 用 蓄电池（ 如锂离子、镍氢以及铅酸电池等） 或者超级 电容器作为辅助动力源与燃料电池并联应用，共同 为汽车提供能源。这种混合燃料电池车可以使其输 出的功率降低并提高了整车的经济性和动态性［6］。