大创汽车技术：创新我们来真的，燃料电池核心附件技术揭秘

“燃料电池”在过去的两三年是非常“热”的一个话题，在深入探讨燃料电池之前，我们先聊聊燃料电池所使用的能源：氢。
人类利用能源的发展历史是不断走向清洁化的过程，氢能源是目前已知的最为绿色清洁的能源，因为氢和氧结合无论是直接燃烧还是化学反应，其产物只有水，因此有望成为能源的终极形式。大创的研发总监贾维新博士十年来一直对氢能源领域的技术保持高度且持续的关注，因此大创也一直在此领域探索前行。
除了绿色之外，氢能源相较于其他形式的能源具有功率密度优势，从物质能量密度角度看，氢能源高于汽油、柴油和天然气，氢气的功率密度几乎是其他化石燃料的3倍多。
既然有这么多的优势，氢能源该如何利用呢？可以通过热机（通过利用内能做功的机械，俗称“内燃机”），也可以通过燃料电池。热机的原理就是燃料在燃烧室内燃烧，气体膨胀推动传动装置做功，实现热能转变为机械能。另一种方式就是燃料电池，氢气通过催化剂，形成H+，穿过电解质膜后与氧气结合生成水，同时电子通过电路从阴极到阳极，从而形成电流。燃料电池相比热机，具有更高的效率（最大可以达到85%）。
虽然目前这种技术的基本原理已经被工业界所熟知，但由于制氢、储氢和运输氢的成本较高，因此并未大量普及。在当今社会，一项新技术的引入，通常都会经历从政府行为到商业行为的过渡。在我国由于能源战略的考量，政府不遗余力的推动氢能源上的目的就显而易见了。
氢能源的应用大体经历以下几个阶段，首先是研发阶段，之后是将这一技术推向市场，其次是扩大市场边界和基础设施建设，最后是由消费者自行决策，从经济学上讲，取决于能源的价格以及获取的便捷性。
国内燃料电池在汽车领域的应用，大概有20年的历史，主要处于研究和产业化的初期，大创对丰田、现代、以及奔驰氢燃料电池车与国内厂家的对比发现，国内除了个别OEM具备小批量量产条件之外，大多还处于DEMO车状态，根本谈不上大批量，很多零部件采用的还是工业标准件，对于子部件的技术标准和验证方式还未形成，更谈不上系统集成的综合性能。
对于燃料电池整个系统，目前看最核心的技术包括：质子交换膜，催化剂，双极板，空压机等等，这些部分等同于发动机的燃烧室、活塞连杆、增压器等等，而除此之外让核心部件能够高效可靠运行的附件也至关重要，在此方面整个燃料电池领域还处于非常初期的懵懂阶段，因此具有很好的市场空间。因此，路漫漫其修远兮。。。
 
 
 
大创在燃料电池领域的产品
大创重点关注在燃料电池的核心附件领域，如下面示意图所示。产品涉及以下几大系统中的核心部件：
² 空气进气系统: 水分离器、颗粒和化学过滤器、压缩机噪声消音器；
² 尾排系统：排气/水整体解决方案，包括排水、储水、防结冰、尾排消声、泵阀；
² 氢气供应系统：氢引射器、氢水分离器；
² 热管理系统：热管理阀。
 
 
 
空气进气系统
燃料电池系统通过空压机将干净的增压后的空气送入电堆，使空气中的氧气与氢离子进行化学反应，由于大气中含有对电堆或压缩机有害的颗粒物（灰尘、花粉、雨滴等）、化学物质（例如SO₂，H₂S，NH3），因此需要对空气中的颗粒物进行分离，以及对化学物质进行吸附。
大创可以提供两种具有颗粒和化学功能的过滤器：
圆筒空滤：适合商用车或则布置空间比较宽松的平台，多种大小规格；
方形空滤：提供标准化壳体设计，两种滤芯大小规格，分别适合大流量（100kW级）和中小流量（50kW级）应用；为了适应不同的车内布局形式，上盖与下壳体的装配可以每90度锁定一个位置，从而保证出气口可以有四个方向。
 
 
在雨天或者车辆进入涉水区域，如果大量雨水进入到压缩机，由于水的不可压属性，会对空压机产生致命的损伤，因此需要在空滤系统前设置水分离和排水结构。
 
空压机的噪声常常是燃料电池系统厂商或整车厂忽视的问题，目前是燃料电池车最恼人的噪声源之一，在此不累述，后期大创会专门发一篇文章来分享。根据大创的经验，压缩机产生的噪声主要是管道内压力波的形式存在，从进气管道的入口直接传递出来，或者从空压机入口或出口的连接管的管壁辐射出来。因此需要在空压机的进出口管路上增加消音装置。
大创可以提供三种解决方案，第一种是根据空间完全定制化，此示例是为了解决机舱空间，将压缩机的进气管路和出气管路的消音器集成到一起，因此从外观看起来是四个管口；第二种方案是将消音装置与空压机进行封装，做成盔甲式结构，将消音器布置在内层与外层之间，这种设计需要较强的设计能力以及工艺能力；第三种方案是模块化的外挂式消音器，这个是大创的专利结构，内腔是单独的芯子，可以更换和选型。
 
尾排系统
相比传统发动机，燃料电池车的排出物更清洁，不需要进行复杂的催化反应或颗粒捕捉。燃料电池排出物的主要成分是氮气和水蒸气，以及少量未反应的氢气。由于出堆的气体还具有一定的压强，当前有些燃料电池系统设计将这部分势能回收，通过与空压机同轴的膨胀机来辅助对进气进行增压。
尾排系统的设计需要关注的问题包括：排水和储水，消音，水分离。
出堆的气体温度大概100摄氏度上下，随着气体向尾管方向流动，温度逐渐降低，过饱和的水蒸气会析出变成液体。根据电堆的功率通过非常简单的计算就可以知道燃料电池排出的水量，比如丰田Mirai的百公里排水大概5L左右。
如此多的水量必须要考虑水蒸气冷凝后在管道内的积存和主动吹扫，除此之外在尾管设计过程中还需要考虑到车辆长下坡可能会引起的倒灌风险。而在寒冷的北方，水汽结冰也是个需要考量的问题，目前的尾排还有使用金属管的案例，金属和塑料的差异在于导热率的不同，生活在东北的小伙伴或许会有刚洗过的手粘在大门上的情况，而在屋外的木头或塑料则不会粘上，原因在于金属的导热率很高，手上的热量瞬间消失从而结冰。丰田Mirai第一代在尾管设计上就采用了塑料和橡胶，如果你足够细心就会发现管道采用双射注塑（一头硬一头软），几段管道可以很方便的连接，在这一点上不得不佩服日本人在对工程上的严谨性，是在用产业化的思路在做一辆真正的“车”。
由于目前燃料电池车的产量较低，塑料件在小批量的时候由于模具成本较高，因此大创开发了柔性分段式结构，如下图所示，可以根据您的需求来创造出不同长度和起伏的形状，从而用一套模具来满足多种需求，从而将模具成本在多个客户方进行分摊。
 
消声器的需要是因为氢循环装置产生的噪声通过尾排从排气口传播出来，具体采用何种消声结构取决于噪声源，大创提供模块化的排气消声器，相同的外壳适用于不同的噪声源特性，同时具备排水功能。
 
 
如果系统采用尾排气体能量回收的膨胀机，气体在进入膨胀机之前需要分离水滴，因此水分离器是必须的部件。
 
 
有人可能会问，为什么要将排气口放到车的尾部呢，直接在电堆下面排不行吗？这是由于排气中含有氢的成分，氢气属于危险气体，易燃易爆，而氢气的密度远远小于空气，车辆静置状态下，如果长时间运行导致氢气在车底堆积是很危险的。
 
氢气供应系统
氢气供应系统是保证让高压的气体经过降压并进入电堆的一系列阀类和管道，另外还包括氢气循环的结构和氢水分离装置。目前氢循环采用的方式主要有：氢循环泵，引射器，或氢循环泵+引射器，这几种形式。氢水分离器的作用是将从电堆中出来的含有氮气、氢气和水汽中的水滴分离出来，再经过循环装置将富余的氢气重新引入电堆。
大创目前主要关注于氢引射器和氢水分离器的研究和产业化。
 
 
热管理系统
热管理系统中的关键部件包括去离子器，水泵，温控阀，散热器等。目前大创重点关注在温控阀，这主要得益于在传统发动机领域热管理阀方面的经验。
 

篇外话
大创的产品主要针对轻量化和节能环保在汽车行业的应用，传统动力国六和油耗升级，以及新能源车衍生的新部件。主要是以塑料为主体材质，集成电子电器、控制器、电机驱动、NVH等功能。
 
除了以上介绍的产品，在燃料电池领域大创一直持之以恒的在耕耘，会针对客户和市场需求持续进行创新。同时大创致力于与客户进行联合研发，以加快客户的研发速度，另外大创具备产品产业化的基础，因此提供给您的不仅仅是一个概念或昂贵的样件，而是考虑了工艺和制造、以及成本因素的可以量产的方案或产品。