燃料电池汽车降氢耗“五步走”

从规模化应用角度来看，氢燃料电池汽车尚未大规模普及。在燃料电池汽车扩大推广的制约因素中，经济性是当前急需突破的一个问题。

燃料电池汽车主要涉及车辆购置成本和燃料使用成本两方面。随着整个产业链的完善和技术提升，燃料电池购置成本越来越低。而受制于氢气制储运加系统成本居高不下，部分燃料电池汽车的使用成本仍远高于燃油车和电动车。当前，如何降低氢耗让燃料电池汽车使用更经济？成为燃料电池企业必须要克服的一道难题。

“目前行业氢-油能耗平衡点为35元/kg，随着实际装车的增多，我们发现燃料电池发动机仍需要提高效率，来保证长距离运输的经济性。雄韬将降低氢耗方法归纳为‘五步走‘，分别为：提升电堆效率；降低辅助功耗；提高氢气利用率；整车热管理、能量管理；用户端的使用方式。通过这五步走，雄韬已让燃料电池汽车氢-油能耗平衡点达到40元/kg。”雄韬氢雄副总经理唐廷江博士介绍道。

第一步：提升电堆功率，增加能量转化率

燃料电池运行工作时平均单体电池电压越高，它的能量转换效率也会随之增高。从理论来看，燃料电池工作单片电压从0.6V提高到0.8V，效率可以从48%提高到64%，百公里氢耗可随之下降13.8%。比如重卡百公里氢耗10kg氢气，效率提高后只需8.63kg。然而电堆提高工作电压，容易对寿命或者耐久性产生影响，故额定工作电压的设定还需要综合衡量而定。

唐廷江表示，平均单片电池电压过高容易产生高电位，导致膜电极内部碳载体碳化。因此一般要保证平均单片电池电压在0.85V以下。目前部分优秀燃料电池企业能做到平均单片电池额定电压在0.65V左右。雄韬通过对电堆的优化设计，可以将燃料电池的平均单片电池额定电压提升到0.7V，通过平均单片电池电压提升，将燃料电池发动机效率提升8%左右。

第二步：降低辅助功耗，为电池减负

由于燃料电池BOP系统在运行过程中也会产生功耗，因此燃料电池电堆输出功率要大于燃料电池电池整体系统输出功率。以150kW燃料电池系统为例，其电堆输出功率约为180kW。其中30kW为寄生功耗，这就包括空压机功耗、水泵功耗以及氢气循环泵功耗等。

在燃料电池寄生功耗中，空压机功耗占比最大，约占燃料电池辅助功耗的80%。而膨胀机（带能量回收的）空压机可以利用涡轮膨胀做功的原理，把电堆排气中的一部分能量加以回收利用，从而降低空压机对于电源功率的需求。

海德韦尔总经理俞宇枫博士告诉高工氢电，在实际应用中，从系统的角度出发+合理的设计/匹配，空压机能效比大于100%是完全可行的。海德韦尔膨胀机在客户端系统测试结果整机效率为103%-115%，空压机功耗减少30%以上，使系统效率提高6-7%，甚至更高。

此外，在氢循环部件中，越来越多的燃料电池系统企业考虑用无功耗引射器来代替有功耗的氢气循环泵。鸾鸟电气总经理陆路明表示，过去由于引射器在低功率段工作困难，因此大功率的燃料电池系统基本采用循环泵+引射器的方案。鸾鸟电气通过二维&三维文丘里管设计及仿真、引射器全模型仿真、氢气引射系统总成开发等方面的努力，已经完全攻克3-5kW小功率的引射循环难题，开发出基于用户多样化需求的适配3~300＋kW系统的氢气引射循环系统总成、氢气集成引射器等系列产品，真正实现零寄生功率。

唐廷江表示，雄韬燃料电池的辅助系统通过采用膨胀机、氢引射循环系统等设备，将辅助功耗降低了30%左右，从而使整车的氢耗量进一步降低。

第三步：提高氢气利用率，减少未反应氢气排出

在燃料电池发动机的启动、停机以及正常运行过程中，一部分未参与反应的氢气随着尾气排出。据悉，燃料电池在启停过程中，为了排出停机过程中渗透到阳极回路的杂质气体，在开机时需要用氢气对阳极回路进行吹扫；而在关机过程中，为了充分排出阳极回路内积累的液态水并控制膜电极的含水量，也需要对阳极回路进行吹扫，会有部分氢气被直接排到环境中。

在燃料电池正常运行中，阴极的氮气和生成的液态水会随着浓度梯度渗透到阳极，必须及时排出。因此，需要周期性开启排水和气体净化阀，在此过程中会有部分未参加反应的氢气被排出。

唐廷江介绍，雄韬专门对燃料电池做了开关机吹扫优化和排水排氮策略优化，根据氮气渗透速率、阳极氮气积累浓度限值、阳极出口水含量、性能综合衡量，从而保证了氢气的有效利用率在98%以上。

第四步：优化整车热管理、做好能量分配管理

在燃料电池系统连续工作的过程中，电堆将产生持续的热量输出，导致系统的温度上升。通过广泛的研究证明，75℃~85℃的工作温度能够使电堆内部的电化学反应维持在较优状态。所以，高效的燃料电池热管理系统能够有效的提升电堆以及燃料电池整体的性能、寿命和安全性。

雄韬通过燃料电池系统内部多个传感器采集数据，采用了更加精确的智能算法控制温度。并且对风扇和膨胀水箱进行了优化设计，使系统各部件的温度控制配合更流畅，从而降低了20%-30%的功耗。

此外，雄韬还计划通过热泵空调将燃料电池在发电的过程中会产生大量的热，用于驾驶舱的供暖。这样通过热回收，在冬季不仅能给汽车内部供暖，还不能节省下原来汽车空调制热造成的能量损耗。

在能量分配方面，根据整车的使用工况，合理的分配燃料电池发动机与锂电池的功率，使燃料电池发动机尽可能工作在高效区间，也是降低氢耗的有效措施。

唐廷江介绍，雄韬集团同时布局锂电和氢能产品，通过系统仿真和实车验证来优化控制策略，让自研的锂电池和氢燃料电池更好地结合，可大大降低客户使用成本。目前雄韬自主研发的氢锂结合燃料电池发动机已进入量产，该款发动机可以有效降低发动机氢能耗，让大巴车增加续航20多公里，大巴车运行每100公里可节省30多元。

第五步：进行用户端培训、规范操作降氢耗

当前，氢燃料电池汽车作为新兴汽车产品，对驾驶员来说也需要一个适应过程。雄韬的策略是通过专职售后对驾驶员进行培训，来避免司机急加速操作。同时教导用户严格按照操作手册使用及保养，帮助用户进一步节省使用成本，降低氢气损耗。

唐廷江表示，雄韬通过五步走的战略，一点点从细节上提高燃料电池发动机效率、降低氢耗。目前雄韬燃料电池发动机平均效率达到50%-60%，系统整体降低氢耗20%左右。10.5米的大巴车每百公里氢耗可以做到约为4.3kg，49吨重卡每百公里氢耗约为10kg。预计到2025年，雄韬燃料电池发动机平均效率达到65%-70%，系统整体降低氢耗30%。