汽车与新动力期刊

被誉为新一代环保车型的燃料电池汽车可不使用传统化石燃料，而以来源丰富的氢气作为燃料，运行后的排放物只有水，且不排放CO2。燃料电池汽车通过电机驱动车辆，可兼顾静音性与良好的行驶性能，燃料填充时间较短，并能确保与内燃机汽车相近的续航里程。各汽车制造商目前正在积极开展针对燃料电池汽车的研发与推广工作。介绍了丰田公司燃料电池系统(TFCS)及燃料电池堆的结构、设计与控制。着重阐述了燃料电池系统的1项核心技术，即“水管理控制技术”，以及基于燃料电池堆的设计过程与燃料电池堆内部状态的可视化及计测技术。0 前言近年来，由于地球温室效应日益加剧，石油资源也在日渐枯竭，能源安全(尤指稳定供应能源等)问题得以不断凸显，运行中不产生CO2的新能源汽车逐渐引起了广泛关注。丰田公司于近期设立了“CO2零排放目标”，并提出到2050年，提高新能源汽车的销售比例，目前正在对此开展相关研究(图1)。FCV 具有以下特点：(1)以氢气作为燃料，氢气可通过化石燃料在内的多种能源进行制取，来源广泛；(2)行驶中的排放物只有水；(3)由于主要驱动装置是电机，所以可充分兼顾静音性与良好的行驶性能；(4)具有较短的燃料填充时间，同时能确保与内燃机汽车相近的续航里程。目前，社会各界正迫切希望该类环保车型得以实用化。考虑到FCV的诸多优点，研究人员认为FCV同样也可满足中长距离的运输需求(图2)。丰田公司于2014年在世界范围内首开先河，上市销售了量产型FCV“MIRAI”车型。此外，丰田公司于2018年上市销售了沿用了该燃料电池系统的新型燃料电池城市客车“SORA”(图3)，而且针对轻型货车的验证评审也正在逐步开展中(图4)。 1 丰田公司燃料电池系统丰田公司将混合动力技术定位成新能源汽车的核心技术，将混合动力系统的发动机替换为燃料电池系统，将燃油箱替换为丰田公司的燃料电池系统(TFCS)(图5)。燃料电池系统由进行发电的燃料电池堆、供应氢燃料的氢气系统、供应氧气的空气系统，以及冷却系统所构成(图6)。燃料电池堆发出的电能通过燃料电池升压转换器向主驱动电机及高电压蓄电池等高压系统供电(图7)。就对燃料电池堆发电有着重要影响的电解质传导性而言，其灵敏度会随着附近环境的相对湿度而发生显著变化。不仅如此，反应过程中生成的水会影响到燃料电池堆内的燃料供应过程，因而对生成水的管理可谓至关重要。本文论述了基于燃料电池堆水管理而进行的相关设计与系统控制。 2 燃料电池堆燃料电池堆通过设计单电池的电极面积和单电池数量，从而获得所需的电能。在通常情况下，单电池由作为氢气与氧气反应部位的膜电极总成(MEA)、显微渗透层(MPL)、气体扩散层(GDL)、用于从外部供应氢气和空气的气体通道，以及隔板等部件构成(图8)。丰田公司通过对燃料电池流道及MEA 进行改进，使燃料电池系统实现了高密度化。此外，由于对单电池内部弹簧机构的有效应用，简化了电池的连接构件。同时，由于电池本身的薄型化，缩小了体积尺寸。而且，随着隔板材质的调整，电池全重有效减轻了，使电池具备较高的功率密度(1 kW/L 与0 kW/kg，图9)。结果表明，燃料电池电极铂催化剂的使用量还降低了(图10)。不仅如此，为避免降低接触阻力并确保耐蚀性，隔板的表面处理工艺也从电镀金处理调整为较廉价的聚合非晶碳镀层(PAC)，从而显著降低了成本。1 高电流密度化电池性能是由理论起动电压的损失(超电压)所决定的。超电压总体可分为以下3类：源于催化反应的“活性化超电压”，源于电子、质子移动的“电阻超电压”和源于反应过程的“浓度超电压”(图11)。就聚合物电解质燃料电池(PEFC)而言，由于发电过程中生成的水处于液相状态，单电池内的气体扩散受阻会导致浓度超电压进一步恶化。另一方面，在易于形成蒸汽的高温区，由于电解质附近的相对湿度有所降低，作为质子移动电阻的电阻超电压也会相应增加。通过以上分析，如要实现燃料电池的高电流密度化，针对发电过程中生成的水而开展的构件设计及控制是至关重要的，为燃料电池水管理技术的核心理念。2 降低浓度超电压在低温及普通运转温度区，由于发电而生成的水会滞留于空气极侧的电池流道、GDL、MPL 及MEA中，从而产生浓度超电压。在通常情况下，与气体流道不接触的GDL及MEA内容易积存液态水。而在丰田的MIRAI车型上配装的燃料电池堆的单元流道结构，采用了3D细网格状结构。在优化了氧气供应并排出液态水的同时，由于隔板表面具有一定亲水性，将液态水导向流道表面，进而降低了浓度超电压(图12、图13)。此外，在GDL内，通过调整碳素纤维与黏合剂的比例以实现最优化。而在MPL方面，通过实现碳黑颗粒的粗颗粒化而降低透水压力，使气体扩散性提高约2倍，进而降低了浓度超电压。3 降低电阻超电压为了确保PEFC中电解质的质子传导性能，需使电解质周围环境保持湿润状态。在常规的燃料电池系统中，通过加湿器可排出反应中生成的水，将其返回燃料电池堆并进行加湿处理。配装在MIRAI车型上的TFCS，可通过结构简化以提高可靠性。丰田公司以降低成本为目标，取消了该类加湿器，基于自加湿理念而对各个构件进行设计，由此实现了与以往相似的高温性能(图14)。自加湿的工作机理是在干燥的空气入口处通过氢气极对空气进行加湿。该设计方式不仅兼顾了各个构件，而且与冷却水流量及氢循环泵流量等系统实现了有机结合。燃料电池在高温状态下运转时，空气极入口湿度会相对较低。在MEA 内部的催化剂附近，质子传导性会逐渐恶化，进而会使电阻超电压有所增加。在外观上，催化剂有效表面积减少，使燃料电池性能恶化。通过增加包覆催化剂电解质官能团的方式，以确保催化剂有效表面积的不变。在提高质子传导性的同时，通过电解质/载体碳比率的最佳化及催化剂载体碳的实心化，即使在低湿度环境下，也能有效增加催化剂的表面积。同时，通过该措施还实现了单电池流道形状的最佳化，有效抑制了空气极入口处的干燥趋向。除了针对上述构件的设计过程外，由于系统自身运转条件得以最佳化，即便在高温环境下，单电池的发电过程也可处于稳定运行状态，从而将超电压的发生可能性控制在最小限度以内(15、图16)。另一方面，由于燃料电池在低湿度条件下进行发电会出现游离基浓缩现象，导致电解质化学性能逐步老化。同时，由于薄膜化会引起机械特性降低，进而导致薄膜裂纹等问题。研究人员采取的对策包括向电极添加游离基淬灭材料，降低铁离子污染，以及利用3D细网流道使电极表面压力均匀化，以此确保了其耐久性能(图17)。 3 燃料电池堆的水管理控制为使燃料电池堆的发电性能时常保持在最佳状态，研究人员根据交流阻抗法，并通过车载装置计测了MEA构件的电阻，进而对燃料电池的运转条件进行调整。1 基于交流阻抗法的含水量计测图18示出了常规燃料电池的等效电路。图中Rohm为电解质膜的电阻，Rvoid为GDL的电阻，Rion为电解质的电阻。这些电阻会随着含水率的不同而发生变化。在处于适度的湿润状态时，各部位电阻值均保持在较低状态。在冷却过程中，由于GDL内部液态水大量存在，导致扩散阻力有所增加，所以Rvoid值会相应增大。相反，在高温运转时等含水率较低的状态下，Rohm和Rion会有所增大，并产生电阻超电压。燃料电池升压转换器(图7)的直流指令电流值是通过重叠高频与低频的2种正弦波电流值而进行计测的。Rohm是通过高频正弦波重叠电流计测的阻抗值(HFR)而计算得出的。另一方面，Rvoid是根据LFR，再针对Rohm及Rion进行计算而得出的。2 燃料电池堆的自加湿控制TFCS在高温状态下运转时，改变氢气极的工作条件以进行水管理。为使水得以有效分配到氢气极表面，根据相关运转条件，可通过控制氢气泵以增加氢循环量。在确保了必要的氢循环量之后，通过降低氢气极入口压力的方式，促使氢气极表面的水实现不断流动。由于上述对策的运用，催化剂附近环境较为湿润，即便不采用外部加湿处理，也能有效提高系统运转时的环境温度(图19)。3 燃料电池高温运转时的水管理控制以计测方式得出的阻抗值为基础，控制MIRAI车型氢气泵流量、燃料电池水温等参数，由此进行水管理。图20表示进行水管理控制时车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。图21则示出了在未进行水管理控制的条件下，车辆在较陡坡道上高速行驶时的评价结果。在进行水管理控制的条件下，Rohm数值较为稳定，冷却水温度上升情况受到抑制，由此可以得到燃料电池堆的输出功率。另一方面，在未进行水管理控制的条件下，由于受到冷却水温度的影响，阻抗值出现了较大的变动，同时也无法确保同样的输出功率。此时，燃料电池堆的电池特性也面临着同样问题，即在全电流区的阻抗值较高，无法输出规定的电压。可认为该现象是电解质膜等部件的电阻超电压有所增加的原因之一(图22)。另外，由于电压降低，燃料电池堆的发热情况也会逐步加剧，进而导致冷却水温度上升。该结果表明，电解质及电解质膜的含水率有所降低，导致燃料电池发电特性面临着进一步恶化的现象。由以上分析可知，水管理控制可使电解质膜等部件处于稳定状态并得以润湿，同时改善燃料电池堆的发电特性，并能有效抑制冷却水温度的上升。4 0 ℃下起动时的水管理控制燃料电池系统在0 ℃下起动时面临的主要问题是燃料电池系统内部的残留水及由于发电过程中生成的水会出现冻结现象，无法向MEA 及时供应工作所需的氢气与氧气。由此面临的最恶劣情况即为燃料电池无法正常发电。图23示出了在0 ℃环境下的系统控制流程图。在0 ℃环境下燃料电池系统采用的水管理技术理念主要是确保起动时气体供应系统得以正常运转。在水即将冻结时，采用可使燃料电池系统升温到0 ℃以上的“快速暖机”控制系统。5 降低含水量控制通过测量阻抗值，可以计算出燃料电池堆发电部位的含水量。GDL内的含水量能充分利用Rvoid进行管理。降低含水量控制是在运转过程中及系统停止运行时，控制冷却水温度、空气流量、氢气循环量等参数，并合理调节阻抗值，以便即使在0 ℃以下的环境内进行起动时，也不会面对由于气体扩散所导致的问题，从而使燃料电池实现顺利起动(图24)。6 快速暖机控制在燃料电池堆的温度处于0 ℃以下时，发电特性比正常运转时更低。同时，由于生成的水逐渐冻结，导致燃料电池堆无法实现持续发电(图25)。因此，当冷起动时的温度在0 ℃以下时，为了能继续发电，须使燃料电池堆的温度处于0 ℃以上。燃料电池堆在发电时，随着各类能量损失的出现，会同时出现发热现象。燃料电池堆处于正常运转工况时，须使发热量处在最小限度内，并高效运转。如需实现燃料电池堆的快速升温，应降低反应过程所需的空气量，进而逐渐增大浓度超电压(图26)。图27示出了在-15 ℃温度环境下的快速暖机控制。根据燃料电池温度为-15 ℃时的实际车辆评价结果，从系统校验后的8 s开始，燃料电池堆即可进行发电。由于一方面须维持一定的输出功率，另一方面须缓慢地降低电压，使燃料电池堆的发热量有所增加，最终将燃料电池输出功率控制为5~90 kW。此外，目前已确认了燃料电池堆可在32 s左右的时间内增温至0 ℃以上。 4 结语本文以燃料电池系统的1项核心技术“水管理”为研究对象。运用可视化及计测技术，实现了定量化处理，将该技术有效运用于燃料电池堆的设计与系统控制过程中。水管理是燃料电池堆的1项关键技术，今后还将依据相关原理，对燃料电池堆的运作机理进行说明，从而推进燃料电池堆系统的小型化、低成本化,以及性能提升等方面的工作。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第3期作者：[日]?今西啓之等整理：彭惠民编辑：伍赛特本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。

为研究燃油和机油特性及两者组合等对低速预燃的影响及其作用机理，进行了许多试验，如将燃油和机油组合、开展矩阵试验等，以确定低活性机油是否能抑制高活性燃油的低速预燃特性，反之亦然。结果显示，芳香族含量高或者蒸馏温度较高的燃油会提高低速预燃的发生率，磺酸钙等机油添加剂能显著提高低速预燃的发生率，而磺酸镁等机油添加剂倾向于降低低速预燃的发生率;低速预燃活性低的燃油对试验所用的机油并不敏感，低速预燃活性高的燃油被低速预燃活性低的机油减弱。与预期一样，低速预燃活性高的燃油和低速预燃活性高的机油组合，会产生大量的低速预燃现象。研究方法适用于机油或燃油各自对低速预燃特性影响的研究，同时也适用于两者共同对发动机低速预燃特性影响的研究。研究结果有助于理解不同配方的机油或燃油对低速预燃特性的影响，尤其是由于地域差异导致各地具有不同的燃油规格和机油添加剂标准。 0 前言为提高发动机效率以满足当前和未来的CO2排放法规，发动机的发展趋势是小型化和低速化。为保持车辆性能，需要发动机匹配涡轮增压器以输出较大的扭矩。这使发动机易于在一种非正常燃烧工况下运行，明显不同于传统预燃工况。这种非正常燃烧通常被称为低速预燃(LSPI)。目前，许多研究旨在找出低速预燃现象背后的机理。国际上主要有2种理论可以解释引起低速预燃现象的原因，分别是液体飞沫理论和沉积理论。液体飞沫理论是指活塞缝隙区域的液体发生自燃，使火焰传播燃烧提前，最终导致发动机缸内发生强烈的爆燃。依据液体飞沫理论的假设，预计燃油和机油特性将会影响低速预燃的发生。Kosis等在之前所做的试验中，研究了机油配方和燃油特性(化学成分)对低速预燃特性的影响，但是没有将两者进行结合研究，而采用普通燃油测试所有的机油,或采用普通的机油测试所有的燃油。许多文献将燃油特性和机油特性对低速预燃特性的影响分隔开来进行研究。Kassai等发表了一篇燃油和机油特性对低速预燃特性影响的研究文献，依然将燃油与机油的影响分隔而论。这些研究结果显示，磺酸钙等机油添加剂有助于提高低速预燃的活性，而磺酸镁等机油添加剂则更易于降低低速预燃的活性。同时，芳香族含量高的燃油会提高低速预燃的活性，较高蒸馏温度(70~100 ℃范围)的燃油也会提高低速预燃的活性。这些研究的局限性在于仅以某种机油作为参照改变燃油特性，或者以某种燃油作为参照改变机油特性，进行单因素影响的规律研究。在许多研究中，将一种低速预燃活性中等的机油或燃油作为参照，适用于机油或燃油特性各自对低速预燃特性的影响，也适用于机油和燃油共同对发动机低速预燃特性的影响。在确定了各种机油和燃油特性对低速预燃的影响后，接下来需要研究机油和燃油两者的相互影响。为此，利用早期系列试验中的燃油和机油原料，集合成小的矩阵。这能将燃油和机油进行组合，呈现出全范围的低速预燃发生率。该研究将机油和燃油形成不同的组合，旨在确定低速预燃活性低的燃油是否能够抵消低速预燃活性高的机油对低速预燃特性的影响，反之亦然。同时也研究了发动机中同时存在低速预燃活性高的燃油和机油时发生低速预燃情况的关键问题。这些试验的结果并不能确保与全球市场上真实燃油和机油的结果具有可比性。试验所用燃油和机油均是专用设计，对市场上的燃油和机油中多种添加剂等细节忽略不计。然而，通过低速预燃特性试验结果可以较好地预测燃油或机油的特性。 1 试验方法在0 LGM EcotecLHU 发动机上进行了低速预燃研究。表1为该发动机的规格参数。发动机装有温度、压力和流量测量仪。图1示出了测量仪的布置点，表2示出各种测量仪的精度。由于该发动机具有较高的缸内爆压(压力约40 MPa)，因此采用AVL 公司的GU22CK压电传感器进行缸压测量。为了保持研究的一致性，采用文中定义的试验术语，详见表3。试验循环中去掉了低负荷/转速工况的试验段，因为之前的数据显示低速工况的预燃次数少，对试验结果的影响较小。图2示出改进的试验循环，发动机转速固定于2 000r/min。每一试验段先进行2 000个稳态循环，然后在特定工况下进行25 000个循环试验。试验段之间包括暖机、冷却和短暂的过渡工况。表4为发动机在高负荷/高速工况下的试验条件。根据燃油的剩余量，试验运行5个或者7个试验段。 2 试验方法1 低速预燃的确定选择2种试验变量来识别发动机是否发生低速预燃:(1)峰值压力(PP);(2)2%已燃质量的曲轴转角位置(MFB02)。低速预燃时峰值压力超过了阈值，MFB02可能超过也可能未超过阈值，一般通过量产发动机上的爆燃传感器可以监测到低速预燃现象。仅MFB02超过阈值的低速预燃现象不可能由爆燃传感器监测到，也不会对发动机造成损坏，但是试验中不希望发生这种不受控制的燃烧过程。这种分类系统包括仅有峰值压力超过阈值的循环，但通常不认为会发生预燃现象。峰值压力阈值用于区分使发动机损坏的循环和过早发生的燃烧现象，但不会发展为严重恶化燃烧的循环。在该试验程序开发期间，发现仅峰值压力超过阈值的循环与其他2种循环相关。经研究，认为所包含的这些循环基于同一种假设而得出，即由于相同的机制引起较晚的燃烧相位。图3示出仅峰值压力超过阈值的低速预燃循环的可视化研究及其气缸压力曲线。由于此时燃烧室内可视光较少，燃烧室某些地方和火核部位亮度较高。缸内点火时可以看到2个火核，一个火核在火花塞附近，另一个与预燃相关的火核出现在进气门附近。使用格拉布斯准则剔除异常值，当峰值压力或MFB02值与特定发动机气缸和试验段中的设定值不一致时，可认为是发生了低速预燃。如果发生了以下任何一种情况，那么该发动机气缸和试验段中的1个工作循环被确定为异常值:(1)峰值压力> 峰值压力平均值+7× 峰值压力标准偏差;(2)MFB2 试验矩阵基于可获得的燃油和机油量及之前研究中低速预燃发生的次数，低速预燃试验从金属添加物矩阵中选择了3种机油(机油G、L和N)，从燃油成分矩阵中选择了3种燃油(燃油7、9和10)。文中使用的燃油通过精炼油合成，并非单一成分，合成后的燃油类似于市场的实际燃油，但是一些参数仍需要严加控制。使用不同的精炼油，可合成不同的成分等级和不同沸点的燃油，而其他规格却维持在恒定水平。为了涵盖美国和欧洲各个等级的典型商用燃油，选择了4种成分等级的燃油。在之前的研究中，低速预燃发生次数较多的机油和燃油被标识为“劣质油”，低速预燃发生次数较少的机油和燃油被标识为“优质油”，不易发生低速预燃的燃油芳香烃含量低，沸点较低，沸点在T70~T90范围内。文中不易发生低速预燃的机油，硫酸钙含量通常较低。图4示出低速预燃循环的平均次数和范围(高于和低于平均数的区间)。在之前的研究中，试验燃油运行时搭配1种基础机油,而试验机油则搭配1种基础燃油。该研究选择了6种燃油/机油组合，如表5所示。在3种机油试验中，燃油7数量充足，而燃油9的供给则非常有限，所以用燃油9与低速预燃发生频率中等的机油G 组合进行试验。采用机油G和燃油7组合运行，进行5个试验段。这是为了确保有足够的燃油剩余量，来进行“劣质机油”和“优质机油”与燃油7的组合试验，剩余的组合则进行7段试验。为了验证试验的复现性，在试验矩阵的初始和结尾，开展对基础燃油和基础机油(DEXOS许可的商用5W-30机油)的组合试验，如表6所示。 3 试验结果采用6种燃油/机油组合，共发生346次低速预燃(基础试验除外)，1缸和4缸低速预燃次数最高，如图5所示。74%的低速预燃事件为单循环，其中，燃油10(芳香烃含量高的乙醇燃料)和机油L(硅含量高、锌含量低)的组合低速预燃发生率占69%。图6示出6种燃油/机油的组合，通过传感器监测到发生低速预燃循环的总数。燃油9和燃油10的低速预燃循环包含峰值压力和MFB02同时超过阈值的循环，仅MFB02超过阈值的循环。燃油7与机油N或机油L组合，都不会发生低速预燃循环。为检验均方根(低速预燃+5)的变化，通过图7所示的燃油/机油组合(包括2个基础机油试验段)及高负荷/高速条件下的试验段，进行方差分析比较。表7为方差分析结果。燃油/机油组合试验中，均方根(低速预燃+5)为5%，统计差异显著，试验段的影响作用不明显。均方根误差(RMSE)为52，模型残差与正态分布假设不冲突。表7 燃油机油组合方差分析结果通过“图基法”多重比较试验确定哪个燃油/机油组合与其他组合显著不同，结果示于图8。对各种燃油/机油组合的平方根(低速预燃+5)值进行最小二乘法处理，平方根通过方差分析获得，处理值示于蓝色菱形区域。图9示出各个最小二乘法的图基于95%置信区间，以显示被测燃油/机油组合之间最小二乘法的差异性。结论如下:(1)在2个基础试验段，并未出现显著差异。(2)燃油10与机油L组合后，相比其他燃油/机油组合，均方根(低速预燃+5)明显更大。(3)燃油9(低速预燃发生率中度)和机油G(低速预燃发生率中度)组合后，运行明显不同于燃油10(低速预燃不良)和机油N(低速预燃良好)的组合。(4)如果不考虑与燃油组合的机油，相比其他燃油/机油组合，燃油7(低速预燃发生率小)的均方根(低速预燃+5)明显更小。(5)与机油L相比，机油N与燃油10组合，低速预燃发生率约降低50%。如图9所示，在5或7高负荷/高速试验段中，均方根并无明显差异(低速预燃+5)。 4 结论试验结果显示，发动机燃用正常的或者低速预燃发生率高的燃油时，使用低速预燃发生率低的机油可以降低低速预燃的发生率。低速预燃的发生率降低到使用基础燃油/基础机油组合时的水平，大约是低速预燃发生率高的燃油和基础机油组合使用时的50%。这种机油并不能消除低速预燃的发生，但是相比实际使用中可预测的发生率而言，发生率下降50%，改善效果也十分显著。使用低速预燃发生率较低的机油，同时发动机使用低速预燃发生率小的燃油，改善结果非常显著。与低速预燃发生率低的燃油进行组合，低速预燃发生率接近于零，明显超越了机油对低速预燃的影响。试验所用燃油为石蜡含量高的低沸点T90燃油，这种燃油不满足当前的ASTM 汽油规范，所以研究结果更倾向于学术性，而非市场实用性。相对于机油，燃油对低速预燃发生率具有更强的影响作用。低速预燃发生率低的燃油可完全忽略机油产生的影响，机油仅能部分抵消燃油对低速预燃的影响作用。但试验结果显示，采用低速预燃发生率低的机油可显著降低使用“劣质”燃油所致的低速预燃高发生率。结论表明，开发能反映此事实的机油配方对于现阶段发动机控制低速预燃发生率有益。注：本文发表于《汽车与新动力》杂志2020年第2期作者：[美]?MCKOCSIS等整理：高英英编辑：虞展本文来源于汽车之家车家号作者，不代表汽车之家的观点立场。