0?序
近年來，由於全球溫室效應的加劇和石油資源的枯竭，能源安全(尤其是能源的穩定供應)問題不斷凸顯，運行中不產生CO2的新能源汽車逐漸受到廣泛關註。豐田最近制定了“二氧化碳零排放目標”，提出到2050年提高新能源汽車的銷售比例。目前正在進行相關研究(圖1)。
FCV？具有以下特點:(1)以氫氣為燃料，可由包括化石燃料在內的多種能源制成，來源廣泛；(2)行駛過程中唯壹的排放物是水；(3)由於主要驅動裝置是電機，可以充分考慮靜音和良好的驅動性能；(4)它具有短的燃料填充時間，並且能夠確保類似於內燃機車輛的續航裏程。目前，各行各業都渴望將這種環保車輛實用化。考慮到FCV的諸多優勢，研究人員認為FCV也能滿足中長途運輸的需求(圖2)。豐田是2014年全球第壹家，推出並銷售量產FCV“MIRAI”車型的公司。此外，沿用燃料電池系統的新型燃料電池城市客車“SORA”於2018年由豐田投放市場(圖3)，針對輕型卡車的驗證審查正在逐步進行中(圖4)。
1?豐田燃料電池系統
豐田將混合動力技術定位為新能源汽車的核心技術，用燃料電池系統代替混合動力系統的發動機，用豐田的燃料電池系統(TFCS)代替油箱(圖5)。
燃料電池系統由用於發電的燃料電池堆、用於供應氫燃料的氫系統、用於供應氧的空氣系統和冷卻系統組成(圖6)。燃料電池堆產生的電能通過燃料電池升壓轉換器向主驅動電機和高壓蓄電池等高壓系統供電(圖7)。至於對燃料電池堆發電有重要影響的電解液電導率，其靈敏度會隨著附近環境的相對濕度而發生顯著變化。此外，反應過程中產生的水影響燃料電池堆中的燃料供應過程，因此對產生的水的管理非常重要。本文討論了基於燃料電池堆水管理的相關設計和系統控制。
2?燃料電池堆
燃料電池堆通過設計電極面積和單電池的數量來獲得所需的電能。正常情況下，單個電池由膜電極組件(MEA)、微滲透層(MPL)、氣體擴散層(GDL)、從外部供應氫氣和空氣的氣體通道以及隔板組成(圖8)。
豐田通過燃料電池流道和MEA？燃料電池系統被改進以實現高密度。此外，由於單體電池內部彈簧機構的有效應用，簡化了電池的連接構件。同時由於電池本身變薄，體積尺寸有所縮小。而且通過隔膜材料的調整，有效降低了電池的總重量，電池具有更高的功率密度(3.1？千瓦/升？用2.0？千瓦/千克，圖9)。結果表明，燃料電池電極中鉑催化劑的用量也減少了(圖10)。而且為了避免降低接觸電阻，保證耐腐蝕性，隔膜的表面處理工藝也從鍍金調整為更便宜的聚合非晶碳塗層(PAC)，從而大幅降低了成本。
2.1?高電流密度
電池性能取決於理論啟動電壓的損失(過壓)。過電壓壹般可分為以下三類:來自催化反應的“活化過電壓”，來自電子和質子運動的“電阻過電壓”，來自反應過程的“濃度過電壓”(圖11)。就聚合物電解質燃料電池(PEFC)而言，由於發電過程中生成的水處於液相，單電池內氣體擴散受阻，會進壹步惡化濃度過電壓。另壹方面，在容易形成蒸汽的高溫區域，電解質附近的相對濕度降低，作為質子移動電阻的電阻過電壓也會相應增加。通過以上分析，要想實現燃料電池的高電流密度，針對發電過程中產生的水進行組件設計和控制是非常重要的，這也是燃料電池水管理技術的核心理念。
2.2?降低濃度過電壓
在低溫和正常工作溫度下，發電產生的水會留在電池流道中，GDL，MPL？和MEA，從而產生濃度過電壓。壹般情況下，液態水容易積聚在不與氣體流道接觸的GDL和MEA中。然而，豐田MIRAI車型上配備的燃料電池堆的單元流道結構采用3D精細網格結構。在優化供氧和排出液態水的同時，由於隔板表面的親水性，液態水被引導至流道表面，從而降低了濃度過電壓(圖12和13)。此外，在GDL，優化是通過調整碳纖維與粘合劑的比例來實現的。另壹方面，在MPL中，通過使炭黑顆粒變粗，降低了透水壓力，使氣體擴散率增加了約2倍，進而降低了濃度過電壓。
2.3?降低電阻過電壓
為了保證PEFC電解質的質子傳導率，必須保持電解質周圍環境的濕潤。在傳統的燃料電池系統中，反應中產生的水可以通過加濕器排出，並返回到燃料電池堆進行加濕。安裝在MIRAI機型上的TFCS可以通過簡化結構來提高可靠性。為了降低成本，豐田取消了這種加濕器，基於自加濕的理念來設計各個部件，從而達到了和以前類似的高溫性能(圖14)。自加濕的工作機理是通過幹空氣入口處的氫電極對空氣進行加濕。這種設計方法不僅考慮了所有部件，而且與冷卻水流量和氫循環泵流量有機結合。
當燃料電池在高溫下運行時，空氣電極入口處的濕度將相對較低。在我這裏？在內催化劑附近，質子傳導率會逐漸變差，從而增加電阻過電壓。從外觀上看，催化劑的有效表面積減小，這降低了燃料電池的性能。通過增加塗覆催化劑的電解質的官能團，催化劑的有效表面積保持不變。在提高質子傳導率的同時，通過優化電解質/載體碳比例和固化催化劑載體碳，即使在低濕度環境下也能有效增加催化劑的表面積。同時，通過這壹措施，優化了單電池的流道形狀，有效抑制了空氣電極入口處的幹燥趨勢。除了針對上述部件的設計工藝外，由於系統本身的運行條件得到了優化，單節電池的發電過程即使在高溫環境下也能處於穩定的運行狀態，從而將過壓的可能性控制在最小(15和16)。
另壹方面，由於低濕度下燃料電池發電的自由基集中現象，電解液的化學性質逐漸老化。同時，薄膜會造成機械性能下降，從而導致薄膜開裂等問題。研究人員采取的對策包括在電極中添加自由基猝滅材料，減少鐵離子汙染，利用3D細網格通道均勻化電極表面壓力，從而保證其耐久性(圖17)。
3?燃料電池堆的水管理控制
為了使燃料電池堆的發電性能保持在最佳狀態，研究人員根據交流阻抗法測量MEA組件的電阻，然後調整燃料電池的工作條件。
3.1?基於交流阻抗法的含水量測量
圖18顯示了傳統燃料電池的等效電路。Rohm是電解質膜的電阻，Rvoid是GDL的電阻，Rion是電解質的電阻。這些電阻將隨著水分含量的變化而變化。當處於中等濕潤狀態時，各部分的電阻值都保持在較低的狀態。在冷卻過程中，由於GDL有大量的液態水，擴散阻力增大，所以Rvoid值也會相應增大。相反，在高溫運行等含水量較低的情況下，Rohm和Rion會增大，產生電阻過電壓。
燃料電池升壓轉換器的DC命令電流值(圖7)通過重疊高頻和低頻兩種正弦波電流值來測量。Rohm的計算方法是將高頻正弦波疊加在檢流計測得的阻抗值(HFR)上。另壹方面，Rvoid是根據LFR以及Rohm和Rion計算的。
3.2?燃料電池堆的自增濕控制
當TFCS在高溫下運行時，改變氫電極的工作條件以進行水管理。為了有效地將水分配到氫電極的表面，可以通過根據相關操作條件控制氫泵來增加氫循環。在保證必要的氫氣循環後，通過降低氫氣電極的入口壓力，可以使氫氣電極表面的水持續流動。由於上述對策的應用，催化劑附近的環境相對潮濕，即使不采取外部加濕處理，也能有效提高系統運行時的環境溫度(圖19)。
3.3?高溫運行下燃料電池的水管理控制
基於測量得到的阻抗值，控制MIRAI模型的氫泵流量、燃料電池水溫等參數，從而進行水管理。圖20示出了當執行水管理控制時車輛在陡坡上高速行駛時的評估結果。圖21顯示了在沒有水管理控制的情況下在陡坡上高速行駛的車輛的評估結果。在水管理和控制的條件下，Rohm值相對穩定，冷卻水的溫升受到抑制，因此可以獲得燃料電池堆的輸出功率。另壹方面，在沒有水管理控制的情況下，由於冷卻水溫度的影響，阻抗值發生了很大的變化，無法保證同樣的輸出功率。此時，燃料電池堆的電池特性也面臨著同樣的問題，即全電流區域的阻抗值較高，無法輸出規定的電壓。可以認為這種現象是電解質膜等元件電阻過電壓增大的原因之壹(圖22)。此外，由於電壓的降低，燃料電池堆的發熱情況會逐漸增加，從而導致冷卻水溫度升高。結果表明，電解質和電解質膜的含水量降低，導致燃料電池的發電特性進壹步惡化。
從以上分析可以看出，水管理控制可以使電解質膜等組件處於穩定狀態和濕潤狀態，改善燃料電池堆的發電特性，有效抑制冷卻水的溫升。
3.4?0?20℃啟動期間的水管理控制
燃料電池系統處於0？在℃啟動時的主要問題是燃料電池系統中殘留的水和發電時產生的水會結冰，所以不能排到MEA？及時供應工作所需的氫氣和氧氣。最壞的情況是燃料電池不能正常發電。
圖23顯示了0？環境下的系統控制流程圖。在0？燃料電池系統在℃環境下采用的水管理技術理念主要是保證啟動時供氣系統的正常運行。當水即將結冰時，燃料電池系統可以加熱到0？10℃以上的“快速預熱”控制系統.
3.5?含水量減少控制
通過測量阻抗值，可以計算燃料電池堆的發電部分的含水量。GDL的水含量可以完全由Rvoid管理。降低含水量的控制是控制運行中及系統停止運行時的冷卻水溫度、空氣流量、氫氣循環等參數，合理調整阻抗值，使即使在0？當在低於℃的環境中啟動時，將不會面臨由氣體擴散引起的問題，從而燃料電池可以順利啟動(圖24)。
3.6?快速預熱控制
燃料電池堆的溫度為0？溫度低於℃時，發電特性低於正常運行時的發電特性。同時，由於生成的水逐漸凍結，燃料電池堆無法實現連續發電(圖25)。因此，冷啟動時，溫度為0？當溫度低於℃時，為了繼續發電，燃料電池堆的溫度必須保持在0？10℃以上.
當燃料電池堆發電時，隨著各種能量損失的出現，會同時產生熱量。當燃料電池堆處於正常運行時，需要將熱值保持在最小並高效運行。為了實現燃料電池堆的快速升溫，應減少反應過程中所需的空氣量，然後逐漸增加濃度過電壓(圖26)。
圖27顯示了-15中的結果。20℃溫度環境下的快速預熱控制.根據-15的燃料電池溫度？在℃下的實際車輛評估結果來自8？在美國，燃料電池堆可以發電。壹方面需要維持壹定的輸出功率，另壹方面需要慢慢降低電壓，這就增加了燃料電池堆的發熱量，最終控制燃料電池的輸出功率在5~90？千瓦.此外，已確認燃料電池堆可用於32？溫度在大約30秒內上升到0度10℃以上.
4?標簽
本文以1燃料電池系統核心技術“水管理”為研究對象。利用可視化和測量技術，實現定量化處理，並將該技術有效應用於燃料電池堆的設計和系統控制。水管理是燃料電池堆的1關鍵技術。今後將根據相關原理解釋燃料電池堆的運行機理，以促進燃料電池堆系統的小型化、低成本化和性能提升。
註:本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第三期。
作者:[日]？當今西方的啟蒙運動等。
整理:彭惠敏
編輯:伍斯特
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