氢燃料电池汽车相关研究

氢燃料电池汽车相关研究

新能源汽车对于解决环境污染、能源危机具有重大的意义，引起了越来越多人的关注，而氢燃料电池因其无污染、零排放成为电动汽车研究的一个热点。燃料电池车型主要有纯燃料电池驱动型（FC），燃料电池和蓄电池混合驱动型（FC+B），燃料电池和超级电容器混合驱动型（FC+UC），燃料电池、蓄电池和超级电容器混合驱动型

（FC+B+UC）。目前对氢燃料电池汽车的研究主要围绕以下几个方面：1 氢燃料电池汽车各系统的设计、建模、仿真以及各系统的参数优化。

汽车的评价指标包括动力性，燃油经济性，制动性，操纵稳定性，平顺性和通过性，目前研究主要集中于对氢燃料电池汽车的各种特性在不同工况，如匀速行驶、加速行驶、制动等条件，以及不同道路状况，如中国城市道路，欧洲城市道路等条件下对汽车性能进行仿真分析。主要方法如下：

（1）将传统内燃机汽车车型改为氢燃料电池汽车的各系统整体设计、布置方案，对所研究系统零部件选型以及运用汽车理论相关知识对相关部件参数进行确定。

（2）基于Matlab/Simulink软件建立燃料电池系统模型，电机及其控制器模型、动力蓄电池模型以及整车模型且利用ADVISOR仿真软件二次开发功能，导入建立的各种道路情况循环工况，实现该工况的成功调用。（3）利用ADVISOR自带的优化模块对氢燃料电池各系统的参数进行优化，并比较优化后的部件参数对氢燃料电池汽车性能的影响。设定优化约束条件以及优化目标，对燃料电池汽车各系统各零部件进行参数优化，最后将参数优化结果在各种循环工况下进行仿真研究，分析比较优化后以及优化前的仿真结果和所研究系统部件的工作运行状况。

2 燃料电池汽车控制策略的研究

燃料电池汽车控制策略主要包括开关控制策略、功率跟随控制策

略、模糊控制和基于模糊神经网络策略、混合动力能量管理策略。为获得燃料电池混合动力系统良好的性能，众多文献提出了用于混合动力系统能量管理的技术策略，探讨了如何实现混合电源之间能量的匹配与供应、以及系统效率最大化，并进行了可行性分析。

在国内影响力较大的的主要有，清华大学朱元等人提出的关于混合动力的能量管理策略的设计方法，该方法适合于制定合适的混合动力汽车能量管理策略，并且经过适当改造后应用在其燃料电池客车上取得了较好的结果。还有清华大学的陈超等人基于功率混合型燃料电池汽车动力系统的特征的研究应用设计了一种恒压式分配方法，也经过实车验证取得了良好的结果。

吉林大学的王登峰等，他们的主要研究对象是燃料电池蓄电池混合动力汽车，研究的内容主要是燃料电池车的工作模式分析研究，研究的过程通过利用ADVISOR软件进行仿真分析研究，最终确定了功率跟随模式作为所设计的燃料电池汽车最佳控制策略。

合肥工业大学的钱立军等通过建立神经网络，对燃料电池和蓄电池混合动力系统进行了一系列控制策略的仿真，并取得了很好的结果，清华大学的卢兰光等和同济大学的孙泽昌、钟再敏等分别在的燃料电池电动汽车能量分配策略和燃料电池蓄电池混合动力系统的功率平衡控制算法，进行了研究并取得了良好的效果，武汉理工大学谢长君等将燃料电池蓄电池和超极电容进行结合，提出了一种基于多模型控制的混合动力系统控制策略，采用神经网络建立了系统的非线性模型，采用预测控制（MPC）方法对燃料电池混合动力系统的动力总成模块进行控制，优化了燃料电池输出功率的动态过程，有效的减少了燃料电池在负载频繁变化情况下其输出功率的变化频率。

国外方面，M.Y.Ayad等采用基于无源性的控制方法对混合动力系统的总线电压进行控制，并证明此控制可使系统全局稳定；Payman与Thounthong采用平坦性控制方法分别对不同拓扑结构的混合动力系统进行分析和控制，结果证明此控制方法的控制效果优于传统方法；Azib等

人采用了滑模控制方法实现混合动力系统的总线电压对其参考值的跟踪，有效的提高了系统的鲁棒性。

3 燃料电池适应性实验和仿真

针对不同工作环境（高海拔、高气压），不同气候（高温和低温）对燃料电车汽车的适应性的研究，主要包括在不同工况下对燃料电池车辆启动、停车以及行驶过程中功率的稳定性的实验和仿真。

国内外学者已经在PEMFC冷启动研究方面取得了重大的进展。衣宝廉等总结了燃料电池低温储存方法和启动策略。Meng H等通过仿真的方法分析了水蒸气摩尔浓度、膜内水含量、操作电流密度和环境温度等因素对PEMFC冷启动性能的影响。Mangold M 等根据热力学第一原理建立了一个能够反映PEMFC从启动温度-12℃至正常工作温度运行的模型。Mao L等根据催化层内水热平衡、冰的形成原理等建立了可用于研究PEMFC冷启动特性的机理模型。

但是目前研究结论大多集中于单池，较少研究燃料电池堆乃至整个车用燃料电池系统的启动情况。

4 车载燃料电池技术与燃料电池系统的研究

研究涉及有车载燃料电池热管理系统、燃料供给与氧化剂供应的气体通道与相应的排气通道的设计、催化剂、膜电极、电解质优化与制造、电池相关结构设计与制造等。

丰田公司排名首位的专利JP2001118591A是关于燃料电池电解质的研究。该专利的新颖性是使得电解质的耐久性得到增强，防止了电解质的分解，相关的电解质膜具有优良的抗氧化性，从而使昂贵的催化剂被淘汰，获得了较好的经济性。

通用公司排名首位的专利US60099984A描述了一种具有蛇形气体通道的燃料电池，该通道可以防止气体从流道中的某部分到下一个与之相邻的流路之间的短路现象。通用公司并对已有的蛇形流场通道进行了大量包括流场结构、流量控制、压力控制在内的技术优化与改进，使得燃料电池效率、稳定性以及使用寿命得到不断的提高。

5 车载储氢与制氢技术的研究

车载燃料电池安全应用的最重要环节是氢储存系统，这个系统的研发也是车载燃料电池技术在实际中应用的难点之一。对于车用氢存储系统，为了达到世界能源署提出的基本要求，研究人员进行了大量的研究。如今，氢的储存方案主要包括低温液态储氢、高压气态储氢、吸附储氢、合金储氢和有机液体储氢五种形式，其中吸附储氢主要指金属合金储氢和碳质材料储氢。

直接用氢作为燃料有存储难、体积大、加氢既费时又危险等缺点，而车载制氢技术能够克服直接用氢作燃料的缺点，特别是车载制氢技术在缺乏氢源的地区将成为使用燃料电池为动力汽车的必然选择。车载制氢技术目前有：车载甲醇制氢技术，车载汽油制氢技术，车载铁粉制氢技术，金属氧化物的水解制氢等。

目前应用前景广阔的是质子交换膜燃料电池，质子交换膜燃料电池是一种将存在于燃料氢是最主要的燃料与氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的发电装置，具有质量轻、供电可靠、无振动、噪声小、启动快等优点。这种电池当使用纯氢气时不会造成环境污染，对环境保护和经济可持续发展有重要意义。然而，除了质子交换膜燃料电池本身一些技术问题需要解决外，缺少高效、安全、响应迅速的在线供氢技术是使其实用化缓慢的一个重要原因。