供氫-回氫組件是車用燃料電池系統(tǒng)陽極氫供系統(tǒng)的重要組成部分，關(guān)系氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料經(jīng)濟(jì)性、耐久性和水管理。氫噴射器是車用燃料電池系統(tǒng)陽極供氫的重要組件。豐田汽車公司Mirai燃料電池系統(tǒng)供氫組件采用日本愛三工業(yè)源自壓縮天然氣(CNG)供氣技術(shù)，將3支噴嘴并行組成氫噴射器，通過調(diào)節(jié)各噴嘴開啟時(shí)間和頻次調(diào)節(jié)氫氣供給量。Mirai燃料電池系統(tǒng)氫噴射器中的三支噴嘴是如何分工和合作的呢？

豐田汽車公司第yi代Mirai搭載了以塑料內(nèi)膽和纖維纏繞為特征的IV型儲(chǔ)氫瓶、以氫噴射器、氫循環(huán)泵和氣液分離器為特征的供氫-回氫(陽極水管理)系統(tǒng)。Mirai攜帶容積總計(jì)122.4 L兩支儲(chǔ)氫瓶(前60 L，后62.4 L)，瓶體總質(zhì)量87.5 kg(前42.8 kg，后44.7 kg)，峰值加注壓力87.5 Mpa，正常工作壓力70 Mpa，儲(chǔ)氫密度5.7 wt%，加注時(shí)間3~5 min(加注時(shí)間受加注壓力和環(huán)境溫度影響)。儲(chǔ)氫瓶采用樹脂內(nèi)膽、碳纖維強(qiáng)化樹脂(CFRP)中層和玻璃纖維強(qiáng)化樹脂外層結(jié)構(gòu)。

豐田Mirai結(jié)構(gòu)

燃料電池系統(tǒng)供氫-回氫組件的主要職能是調(diào)節(jié)燃料電池電堆陽極氫氣壓力(氣量)、提高氫氣利用率、改善電堆內(nèi)部濕潤度。豐田Mirai回氫組件-2葉羅茨氫循環(huán)泵大功率430 W，峰值轉(zhuǎn)速6200 rpm，通過在空間上緊鄰電堆強(qiáng)化電機(jī)散熱性能。供氫部分采用3支噴嘴并行交替工作，通過電控策略實(shí)現(xiàn)Mirai電堆陽極氫氣進(jìn)氣動(dòng)態(tài)可調(diào)。本文將通過Mirai的實(shí)際啟動(dòng)和正常行駛等工況對Mirai燃料電池系統(tǒng)氫噴射器3支噴嘴的工作狀態(tài)進(jìn)行分析。

豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)氫氣供給示意

豐田Mirai氫噴射器

豐田Mirai行駛模式主要有停車怠速、啟動(dòng)發(fā)車、加速、正常行駛和減速(回收制動(dòng))五種，各模式下燃料電池電堆、動(dòng)力電池組、逆變器和空壓機(jī)等零部件的工作狀態(tài)如下圖所示。豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)氫噴射器的分析測試位于波蘭華沙，測試前該輛Mirai燃料電池汽車已累計(jì)行駛3000 km。

豐田Mirai行駛模式

啟動(dòng)工況

下圖展示了Mirai燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)(按下啟動(dòng)鍵)后20 s內(nèi)燃料電池電堆工作情況。2~3 s后，Mirai燃料電池堆電壓升至315 V，電流為32 A。此時(shí)功率為315 V×32 A=10 kW，約為峰值功率(114 kW)的8.8%。10 s后，Mirai電堆電壓升至40 A，功率增加到13 kW。上述過程中，Mirai僅使用了氫噴射器中一個(gè)噴嘴。為維持上述過程，氫循環(huán)泵轉(zhuǎn)速從1500 rpm升至1800 rpm，且氫氣噴射器工作頻率變高。注意，上述過程氫氣供應(yīng)壓力為122 kPa，空氣供應(yīng)壓力為100 kPa。

啟動(dòng)狀態(tài)下燃料電池參數(shù)(Mirai靜止)

行駛工況

此次測試主要對豐田Mirai在四種行駛工況(Route)下的表現(xiàn)進(jìn)行分析。下圖比較了豐田Mirai燃料電池汽車測試的四個(gè)行駛工況。工況1、2和3大行駛速度相近，約為50 km/h，工況4的主要特點(diǎn)是行駛速度增加。工況1、2和3中，Mirai靜止時(shí)間也相近，約占50%左右。工況1、2和3持續(xù)時(shí)間有所不同，范圍從160~330 s。路線1、2和3在恒定速度下的時(shí)間密度高達(dá)10%，加速和減速下的時(shí)間密度約為20%。注意，下圖時(shí)間密度(時(shí)間占比)將Mirai靜止時(shí)間除外。

豐田Mirai測試行駛工況a)：車速；b)：加速時(shí)間密度

下圖顯示了工況1下加速期間Mirai燃料電池堆的高性能表現(xiàn)。Mirai加速期間用時(shí)3.5 s左右即可達(dá)到峰值功率。氫噴射器三支噴嘴根據(jù)功率需求逐漸開啟工作，氫噴射器3(或稱噴嘴3)在燃料電池堆功率到達(dá)70 kW后才開啟。加速期間，電堆電流逐漸增加，電壓逐漸降低。該期間，Mirai電堆大電流468 A@244 V，此時(shí)車速僅40 km/h左右。

豐田Mirai工況1下氫氣供應(yīng)情況(三個(gè)噴射器)

四種行駛工況下的氫噴射器工作狀態(tài)分析如下圖所示。對不同車速和加速度(加速踏板位置)的每次測試運(yùn)行，均記載了各氫噴射器的工作狀態(tài)，并以此為基礎(chǔ)，評估了噴射器的使用狀況。假定該值與電驅(qū)推進(jìn)系統(tǒng)載荷成比例。對0％、0-25％、25-50％、50-75％和75-100％幾個(gè)加速踏板位置進(jìn)行了分析。從獲取數(shù)據(jù)看，主要使用了兩個(gè)氫噴射器，噴油器3僅在加速踏板位置的末端范圍使用。

各工況下豐田Mirai氫噴射器狀態(tài)

各工況下加速踏板在不同位置豐田Mirai氫噴射器工作時(shí)間占比

此外，還總結(jié)了車速和載荷對燃料電池系統(tǒng)中氫噴射器的工作狀態(tài)影響。每種測試車速下噴射器1和噴射器2均運(yùn)行，0~100％載荷范圍內(nèi)噴射器1和噴射器2均運(yùn)行。僅當(dāng)電堆載荷超過60％(對應(yīng)車速25~130 km/h)時(shí)氫噴射器3才介入。

車速和載荷對Mirai氫噴射器的影響

燃料電池和鎳氫電池

豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)使用類似混合動(dòng)力汽車的升壓轉(zhuǎn)換器來提高輸出電壓，Mirai搭載的DC-DC升壓轉(zhuǎn)換器可將燃料電池電堆電壓從大315 V增加到650 V，使Mirai驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率倍增。Mirai燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行期間獲取上述電壓的工作狀態(tài)如下圖所示。

Mirai燃料電池電堆升壓工作狀態(tài)

顯然，車輛加速期間升壓轉(zhuǎn)換器的輸入電壓達(dá)到峰值(約315 V)，輸出電壓超過600 V。此外，為在加速過程中輔助燃料電池電堆，高壓鎳氫電池組放電(正電流值)，并在制動(dòng)情況下給電池組充電。盡管駕駛條件各異，但鎳氫電池組容量仍可保持在52–62％。高壓電池組工作狀態(tài)如下圖所示，充電狀態(tài)下鎳氫電池組電壓可高達(dá)315 V。高壓電池組長時(shí)間充電可采用50 A的小充電電流，但大值可超過120 A。