打造综合型团队 解决燃料电池三大技术难点

2017年7月19日，中国电动汽车百人会举办的2017年第四期“电动汽车热点问题研讨会”在湖南省株洲市召开。本期主题聚焦“新能源汽车电力电子技术”，清华大学李建秋教授就燃料电池系统中的电力电子问题作出了详细解读。

李建秋认为，研发燃料电池发动机需要一个综合型团队，包括传统电化学、燃料电池材料、传热传质等等学科；在电力电子层面上，DC/DC（直流斩波器）、空压电机及控制器、氢气再循环泵电机以及控制器，在燃料电池的控制里面是占有非常重要角色。

化学能转化为电能后依然离不开电控系统

一个燃料电池系统，我们简称燃料电池发动机，就是他本身工作的过程本质是电化学反应，是将化学能转化为电能的装置，其中也包括传热传质的过程、气体流动、水热交换等过程。一涉及到电驱动，就必须要又包括DC/DC在内的电控系统来配合工作。所以搞燃料电池发动机必须要集成三个学科的团队：电化学、传统发动机、电力电子。

燃料电池汽车国内外的发展现状

燃料电池的电堆技术是最核心的部分，金属双极板电堆因其较高的能量密度，适用于乘用车型；而碳板电堆体积重量比较多大，虽然能量密度较低但是耐久性非常好，是商用车的不二之选。

目前包括丰田、通用、日产、奔驰的企业都推出了燃料电池乘用车。通用的技术比较老，依然停留在2008年的水平，其他都在逐年改进，续驶里程能达到500—600公里，可以跟传统的燃油车并驾齐驱。

美国、德国、日本都推出了燃料电池客车，功率大概是从120—200千瓦，配合锂电池做储能装置，续驶里程可达300公里，耐久性平均达到1万小，售价100万美元左右。卡车也有美国的Nikola One和日本丰田在研发。

在国内，中科院已经在燃料电池方面已经做了十多年的研究，现阶段已经建成了燃料电池发动机的批量生产线，年产2000套。李建秋预计2020年能小批量示范生产1万台左右，到2025年能达到每年几万台到十万台的量。

燃料电池的三大电力电子难点

燃料电池专用的功率模块部分是最关键的，其中DC/DC作为燃料电池控制的重要执行器，除了要完成功率的变换，还要对燃料电池的耐久性进行控制，也就是控制燃料电池的功率电压。此外，DC/DC还参与燃料电池的交流阻抗辨识的工作，通过产生高频的扰动信号，帮助控制系统来辨识电堆里面的含水量。对于企业来说，与普通的DC/DC相比，研发燃料电池的DC/DC还是有难度的。

为了提高燃料电池的功率密度，需要对它的空气进行增压。传统内燃机可以通过废气涡轮增压，但是燃料电池发动机废气的能量是很低的，必须要用一个高速电机来驱动这个空压机，因此空压电机的控制器就十分关键了。现阶段，中科院正与英飞凌和精金电动，为的就是把高速电机跟空压机做成集成系统。

除了DC/DC和空压电机的控制以外，氢气再循环泵和控制器也是一个难点。氢气再循环泵有严格的防爆要求，而且速度也很高。如何在保证电机高速的情况下，符合防爆要求，这就成了企业攻关的另一个难点。