CHEC2023|张财志：车用燃料电池系统现状分析及技术

近日，由世纪新能源网、中国氢能100人论坛主办，氢能观察承办的第三届世纪氢能大会在京举办，业界专家学者、企业代表、投资代表、高校代表等齐聚一堂。

重庆大学教授、博士生导师张财志发表《车用燃料电池系统现状分析及技术发展趋势》主题演讲。

自氢能被作为能源写进国家顶层设计，氢能产业迎来蓬勃发展。在此推动下，燃料电池产业也呈现出不同程度上的繁荣。

2022年开年的冬奥会点燃了燃料电池汽车革命，进入2023年，电解水制氢设备迎来“扩产潮”。燃料电池系统产业链各细分领域国产化替代趋势在持续加强；燃料电池在交通领域的探索应用取得明显成绩。

以燃料电池为核心的燃料电池系统包含：氧化剂供给系统、燃料供给与循环系统、水/热管理系统、控制系统等。

张财志介绍，在燃料电池系统中，空气供给系统提供的空气压力对于燃料电池性能有着重要的影响。燃料电堆和空气供给系统成本占燃料电池系统总成本的前两位，总计75%左右。能耗方面，空气系统能耗占输出总功率的20%。空气供给系统中最重要的部件就是空气压缩机，它的主要工作是对空气进行加压，使得进入燃料电堆的空气压力较大气压有一定的提升，从而改善电堆的性能。

车用燃料电池的对外供能主要依靠氢气和氧气的持续供应和精准控制。供氢系统对燃料电池的效率、动态响应和使用寿命都有很大影响。因此，提出合理的燃料电池系统供氢系统结构和高精度的进氢控制策略具有重要意义。燃料电池供氢系统配置主要包括以下两种模式。目前车用燃料电池通常在再循环模式下运行。

针对燃料电池氢气供应系统，涉及到的主要工作包括模型建立和控制算法设计。

关键部件模型建立包括：进气/回流歧管模型、引射器模型、阳极流道模型、比例阀模型、吹扫阀模型。

燃料电池汽车中合适的能量管理策略，延长燃料电池的使用寿命，回收制动能量，并减少氢消耗，使系统高效工作，且能根据需求功率的变化分配能量。因此，合适的能量管理策略对燃料电池系统的发展至关重要：

（1）基于规则的能量管理策略基于规则的能量管理策略的最优性在很大程度上依赖于各种参数和阈值的标定，时间成本和人力成本高，并且标定好的固定参数和阈值在不同工况和驾驶条件下的适应性有限。

（2）基于全局优化的能量管理策略全局优化方法往往需要在车辆出发前预先获得完整的驾驶条件信息，才能规划出动力总成能耗全局最优的燃料电池和锂电池功率输出时序轨迹，一方面耗费大量的计算资源，另一方面驾驶条件数据的未可知性导致全局优化方法很难在实时应用中使用。

（3）基于瞬时优化的能量管理策略瞬时优化的方法一般是利用神经网络进行速度预测，之后在预测范围内优化燃料电池的输出功率。但是其环境适应性差，更加依赖速度预测的准确性，因此在长时复杂工况下的泛化性会受到限制。

关于燃料系统的耐久性分析，张财志表示，车用燃料电池系统耐久性是制约燃料电池汽车发展的技术瓶颈之一。汽车运行工况复杂多变，燃料电池系统内部温度、湿度、压力等运行参数控制难度较大，且处理不当会加剧电堆寿命衰减。通过优化系统与控制策略，研究新材料等方式延长车用燃料电池系统寿命。