從規模化應用角度來看,氫燃料電池汽車尚未大規模普及。在燃料電池汽車擴大推廣的制約因素中,經濟性是當前急需突破的一個問題。
燃料電池汽車主要涉及車輛購置成本和燃料使用成本兩方面。隨著整個產業鏈的完善和技術提升,燃料電池購置成本越來越低。而受制于氫氣制儲運加系統成本居高不下,部分燃料電池汽車的使用成本仍遠高于燃油車和電動車。當前,如何降低氫耗讓燃料電池汽車使用更經濟?成為燃料電池企業必須要克服的一道難題。
“目前行業氫-油能耗平衡點為35元/kg,隨著實際裝車的增多,我們發現燃料電池發動機仍需要提高效率,來保證長距離運輸的經濟性。雄韜將降低氫耗方法歸納為‘五步走‘,分別為:提升電堆效率;降低輔助功耗;提高氫氣利用率;整車熱管理、能量管理;用戶端的使用方式。通過這五步走,雄韜已讓燃料電池汽車氫-油能耗平衡點達到40元/kg。”雄韜氫雄副總經理唐廷江博士介紹道。
第一步:提升電堆功率,增加能量轉化率
燃料電池運行工作時平均單體電池電壓越高,它的能量轉換效率也會隨之增高。從理論來看,燃料電池工作單片電壓從0.6V提高到0.8V,效率可以從48%提高到64%,百公里氫耗可隨之下降13.8%。比如重卡百公里氫耗10kg氫氣,效率提高后只需8.63kg。然而電堆提高工作電壓,容易對壽命或者耐久性產生影響,故額定工作電壓的設定還需要綜合衡量而定。
唐廷江表示,平均單片電池電壓過高容易產生高電位,導致膜電極內部碳載體碳化。因此一般要保證平均單片電池電壓在0.85V以下。目前部分優秀燃料電池企業能做到平均單片電池額定電壓在0.65V左右。雄韜通過對電堆的優化設計,可以將燃料電池的平均單片電池額定電壓提升到0.7V,通過平均單片電池電壓提升,將燃料電池發動機效率提升8%左右。
第二步:降低輔助功耗,為電池減負
由于燃料電池BOP系統在運行過程中也會產生功耗,因此燃料電池電堆輸出功率要大于燃料電池電池整體系統輸出功率。以150kW燃料電池系統為例,其電堆輸出功率約為180kW。其中30kW為寄生功耗,這就包括空壓機功耗、水泵功耗以及氫氣循環泵功耗等。
在燃料電池寄生功耗中,空壓機功耗占比最大,約占燃料電池輔助功耗的80%。而膨脹機(帶能量回收的)空壓機可以利用渦輪膨脹做功的原理,把電堆排氣中的一部分能量加以回收利用,從而降低空壓機對于電源功率的需求。
海德韋爾總經理俞宇楓博士告訴高工氫電,在實際應用中,從系統的角度出發+合理的設計/匹配,空壓機能效比大于100%是完全可行的。海德韋爾膨脹機在客戶端系統測試結果整機效率為103%-115%,空壓機功耗減少30%以上,使系統效率提高6-7%,甚至更高。
此外,在氫循環部件中,越來越多的燃料電池系統企業考慮用無功耗引射器來代替有功耗的氫氣循環泵。鸞鳥電氣總經理陸路明表示,過去由于引射器在低功率段工作困難,因此大功率的燃料電池系統基本采用循環泵+引射器的方案。鸞鳥電氣通過二維&三維文丘里管設計及仿真、引射器全模型仿真、氫氣引射系統總成開發等方面的努力,已經完全攻克3-5kW小功率的引射循環難題,開發出基于用戶多樣化需求的適配3~300+kW系統的氫氣引射循環系統總成、氫氣集成引射器等系列產品,真正實現零寄生功率。
唐廷江表示,雄韜燃料電池的輔助系統通過采用膨脹機、氫引射循環系統等設備,將輔助功耗降低了30%左右,從而使整車的氫耗量進一步降低。
第三步:提高氫氣利用率,減少未反應氫氣排出
在燃料電池發動機的啟動、停機以及正常運行過程中,一部分未參與反應的氫氣隨著尾氣排出。據悉,燃料電池在啟停過程中,為了排出停機過程中滲透到陽極回路的雜質氣體,在開機時需要用氫氣對陽極回路進行吹掃;而在關機過程中,為了充分排出陽極回路內積累的液態水并控制膜電極的含水量,也需要對陽極回路進行吹掃,會有部分氫氣被直接排到環境中。
在燃料電池正常運行中,陰極的氮氣和生成的液態水會隨著濃度梯度滲透到陽極,必須及時排出。因此,需要周期性開啟排水和氣體凈化閥,在此過程中會有部分未參加反應的氫氣被排出。
唐廷江介紹,雄韜專門對燃料電池做了開關機吹掃優化和排水排氮策略優化,根據氮氣滲透速率、陽極氮氣積累濃度限值、陽極出口水含量、性能綜合衡量,從而保證了氫氣的有效利用率在98%以上。
第四步:優化整車熱管理、做好能量分配管理
在燃料電池系統連續工作的過程中,電堆將產生持續的熱量輸出,導致系統的溫度上升。通過廣泛的研究證明,75℃~85℃的工作溫度能夠使電堆內部的電化學反應維持在較優狀態。所以,高效的燃料電池熱管理系統能夠有效的提升電堆以及燃料電池整體的性能、壽命和安全性。
雄韜通過燃料電池系統內部多個傳感器采集數據,采用了更加精確的智能算法控制溫度。并且對風扇和膨脹水箱進行了優化設計,使系統各部件的溫度控制配合更流暢,從而降低了20%-30%的功耗。
此外,雄韜還計劃通過熱泵空調將燃料電池在發電的過程中會產生大量的熱,用于駕駛艙的供暖。這樣通過熱回收,在冬季不僅能給汽車內部供暖,還不能節省下原來汽車空調制熱造成的能量損耗。
在能量分配方面,根據整車的使用工況,合理的分配燃料電池發動機與鋰電池的功率,使燃料電池發動機盡可能工作在高效區間,也是降低氫耗的有效措施。
唐廷江介紹,雄韜集團同時布局鋰電和氫能產品,通過系統仿真和實車驗證來優化控制策略,讓自研的鋰電池和氫燃料電池更好地結合,可大大降低客戶使用成本。目前雄韜自主研發的氫鋰結合燃料電池發動機已進入量產,該款發動機可以有效降低發動機氫能耗,讓大巴車增加續航20多公里,大巴車運行每100公里可節省30多元。
第五步:進行用戶端培訓、規范操作降氫耗
當前,氫燃料電池汽車作為新興汽車產品,對駕駛員來說也需要一個適應過程。雄韜的策略是通過專職售后對駕駛員進行培訓,來避免司機急加速操作。同時教導用戶嚴格按照操作手冊使用及保養,幫助用戶進一步節省使用成本,降低氫氣損耗。
唐廷江表示,雄韜通過五步走的戰略,一點點從細節上提高燃料電池發動機效率、降低氫耗。目前雄韜燃料電池發動機平均效率達到50%-60%,系統整體降低氫耗20%左右。10.5米的大巴車每百公里氫耗可以做到約為4.3kg,49噸重卡每百公里氫耗約為10kg。預計到2025年,雄韜燃料電池發動機平均效率達到65%-70%,系統整體降低氫耗30%。
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