燃料电池系统集成与测试技术研究

燃料电池与内燃机相比有许多不同之处，第一是燃料电池内部没有运动部件，相对比较静态，使得它的工作效率比较高；第二是燃料电池工作过程中没有噪音；第三是燃料电池比较清洁，这里比较清洁的前提是氢气来源比较清洁，如果氢气来源不清洁那还是实现不了闭环的清洁。

目前燃料电池技术主要应用在发电、交通、无人机和特种能源等领域，其中交通领域的燃料电池汽车大部分是大巴车和物流车，乘用车非常少。原因在于燃料电池堆的功率密度还比较低，一百千瓦级燃料电池堆的体积较大，很难放置到乘用车内部。此外，大巴车和物流车的路线比较固定，加氢站的建设比较容易解决，而乘用车不可能限制其在特定的时间开到有加氢站的地方。

国内当前比较成熟的储氢技术是35MPa的高压气态储氢，与液态储氢技术相比，气态储氢技术的单位储氢质量和储氢密度均较低。但是高压气态储氢技术有很多优势，第一是气态储氢技术的成本比较低，第二是气态储氢的动态性能比较好，第三是气态的氢气易于管理。为了改善现有气态储氢技术单位储氢质量和储氢密度均较低的问题，目前国外已经量产70MPa的高压气态储氢瓶，并且国内也在跟进相关方面的技术研究。由于燃料电池的体积能量密度还可以进一步提高，并且具有非常大的优势，未来燃料电池的发展必然会走能量型道路。

接下来介绍一些关于燃料电池系统集成方面的研究工作，如图所示燃料电池系统主要包括电堆模块（A）、空气供应模块（B）、氢气供应模块（C）、热管理模块（D）、配电管理模块（E）和整个燃料电池控制器（F）。物理架构图中的蓝线代表空气回路、绿线代表氢气回路、红线代表热管理回路、黄线代表配电管理回路。实际上燃料电池堆和发动机一样均是汽车结构中最关键的零部件，因此动力系统集成的关键点在于如何最大化提升燃料电池堆的性能。其中燃料电池堆的特征参数包括电流、电压、功率和反应物的流量。

针对燃料电池系统集成设计需要解决的问题，我们搭建一个物理+数字的共性技术研发测试平台，这个平台包含一个共性实物平台和一个共性数字仿真平台。其中，共性实物平台是一个能提供燃料电池系统性能测试的实验室，因为在实验室里测试会节省较大的研发时间和成本，如果将燃料电池系统装配到整车里去测试，研发成本将会非常大。另外一个共性数字仿真平台可以将燃料电池堆作为一个模型输入到仿真平台里，并将电堆变成全数字的仿真平台。此外，我们还可以将实物仿真平台和虚拟仿真平台结合起来，构建起一个虚实结合的共性技术研发测试平台，大幅提高了研发效率。

我们现在的设计理念不仅包含测试对象的多样化，还包含测试系统的性能优化，因此无论是国内还是国外生产的燃料电池堆都能在这个共性研发测试平台上进行性能测试。并且这个测试平台主要采用国产化部件，整个测试平台的零部件国产化率达到了80%以上。其中包括热交换模块、控制模块、加湿模块和电子负载等部件，并且还有一部分软件和硬件全部是自主开发。