赛事动态｜同济大学：当氢能黑科技遇上狂野巴哈赛车

氢能系统变形记

"知道吗？我们正经历一场静悄悄的革命！"在碳中和背景下，氢能就像新能源界的黑马。我们的赛车心脏——水冷燃料电池系统，堪称工程美学典范

Part.01

氢系统介绍

Introduction to

the Hydrogen System

市场环境：我国人均能源拥有量低，且分布极为不均衡、开发难度大

市场需求：预计到 2025 年和2030 年，新增市场分别为 75和238 亿元

空冷氢燃料电池行业背景：

《“十四五”现代能源体系规划》提到“适度超前部署一批氢能项目，着力攻克可再生能源制氢和氢能储运、应用及燃料电池等核心技术，力争氢能全产业链关键技术取得突破”

行业处于加速发展阶段初期，具有较强的上升趋势

氢能源发展背景

风冷燃料电池

风冷燃料电池介绍与分类：

①封闭阴极：空气供应和冷却是分开的（赛车用的），供应空气使用空气压缩机，散热是风扇。优势在于也可以使用高压空气从而提高电堆效率

②开放阴极：只有风扇，吹进去的空气就是反应物

Hydrogen

风冷燃料电池系统组成：

由BOP（电磁阀、风扇、压力传感器等）、电堆、DC/DC变换器、储能设备以及控制器组成，广泛应用于氢动力无人机、氢动力二轮车、应急电源等小功率场景。功率范围一般在200W到5000W。

常规系统架构如下图所示：

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Hydrogen

风冷燃料电池系统能量管理：

对于常规带有直流变换器的燃料电池系统，可通过直流变换器调节燃料电池输出功率

下图展示一种基于储能设备（锂电池）电压及放电倍率的基于规则的能量管理策略：

Hydrogen

水冷燃料电池

水冷燃料电池：

水冷燃料电池的应用场景主要是中大功率的场景，比如商用车、货车重卡等。为了满足燃料电池的大功率输出，对于散热的要求就很高，从而采用水冷的冷却方式。

水冷系统复杂度高：

空气压缩机：提高进气压力，改善燃料电池的极化曲线，提高燃料电池的效率

水冷管路布置：提高散热能力

氢气循环系统：提高氢气利用率

去离子器：降低管路中冷却液的电导，出于对系统绝缘性的考虑。

Hydrogen

能量管理系统

•能量管理：复合并联的燃料电池和锂电池给负载供电

•目标：要么氢气利用率最高，要么系统寿命最高（经济性最好）

•基于SOC规则的能量策略 •燃料电池的特性：不能频繁的变载以及频繁的启动停机，不能长期工作在高电位。 因此要做一个能量管理系统 •锂电池会有稳定的放电平台，即使SOC有较大变化，其输出电压的变化也很小；燃料电池随SOC的变化就会很大。

•通过燃料电池基于SOC规则的能量管理，可以保证锂电池电量处于较优的工作区间。燃料电池输出电流与锂电池为负反馈调节。

•需要根据不同的应用场景设计SOC的规则以及充电放电两种情况下的响应

Hydrogen

固态储氢

More

4kW燃料电池系统

01

组成

氢气供给子系统架构

高压供氢系统（也可将其归为车

载储氢系统）

比例阀

排氢阀

氢循环装置(引射器||循环泵）…

空气供给子系统架构

空压机

中冷器

加湿器

背压阀

热管理子系统架构

水泵

节温器

散热器总成

PTC

水箱

Hydrogen

02

氢气供给子系统架构

氢气子系统：为阳极氧化反应提供压力流量足够的氢气

压力传感器

压力传感器是一种能够量化检测力的设备。它的作用是将外部物品或者系统所受压力的应变转化成一种易于

测量或者检测的电信号。这种电信号可以用于对物体或者系统的监测、控制、调节等目的

氢气温度传感器

氢气温度传感器，是用于实时监测氢气温度并转化为可读信号的精密装置。氢气温度传感器可以实时监测氢

气温度，从而帮助控制氢气的使用和优化能量转化效率

氢气浓度传感器

氢气浓度传感器，用于检测氢气浓度，保障工业生产和安全。

（1）使用氢气传感器可以对氢气浓度进行监测和报警，及时采取相应的安全措施，保障生产和人员安全。

（2）用于测量氢气的含量和纯度，以确保设备的正常运行

氢进电磁阀

• 氢进电磁阀，控制氢进管路与系统氢进管路的通断。电磁阀通电导通，断电闭合。

比例阀

比例阀是一种用于控制输出流量的阀门,它能够根据输入信号来精确地调整输出流量的比例

排氢模块电磁阀

功能类同氢进电磁阀，用于排氢模块

氢气循环泵

氢气循环泵可提高氢气利用率，同时解决电堆水管理问题。循环氢气，带出电堆内部渗氮和液态水

引射器

引射器其主要作用是将氢气引入燃料电池系统，确保燃料电池系统的正常运行，并保证氢气供给的安全性和稳定性

工作原理

1. 氢气储罐中的氢气通过减压阀减压后被输送至比例调节阀。

2. 比例调节阀通过改变开度来调节进入燃料电池电堆阳极的氢气流量，从而调节燃料电池电堆阳极氢气流道内的压

力，以满足燃料电池电堆的工作需要。

3. 压力传感器实时监测电堆内部氢气流道的压力，当压力超过限值时，泄压阀开启。

4. 燃料电池电堆反应后的氢、水混合物从氢气流道出口流出，经氢水分离器去除液态水后，大部分未反应的氢气被

氢循环泵增压后返回燃料电池电堆氢气流道入口，少部分氢气根据需要经排氢电磁阀排放出去。

5. 氢水分离器分离的液态水经排水电磁阀排出。

在整个过程中，氢气通过燃料电池的正极当中的催化剂分解成电子和氢离子。其中氢离子通过质子交换膜到达负极

和氧气反应变成水和热量，而电子则从正极通过外电路流向负极产生电能。

Hydrogen

03

空气供给子系统架构

空气子系统：为阴极侧还原反应具有足够流量和压力的空气

空压机

空压机，主要作用是将空气压缩并输送至燃料电池系统，以满足燃料电池对空气的需求。压缩空气可以提高其密度，从而在有限空间内提供更多的氧气，有助于提高燃料电池系统的效率和性能

节气门

节气门，通过控制节气门的开合程度，可以调整进入燃料电池的空气量，以满足燃料电池系统对

空气的需求，从而保持适当的空气/燃料比，确保燃料电池的正常运行和性能稳定

空气质量流量计

空气质量流量计，通过监测空气的质量流量，系统可以实时掌握空气供给情况，从而调节空气流

量，确保燃料电池系统能够获得所需的适当空气量，以维持系统的稳定运行和性能

空气过滤器

空气过滤器通过过滤空气中的灰尘、污染物和其他杂质，空气过滤器可以减少这些颗粒物质对燃料电池堆的腐蚀和污染，从而确保燃料电池系统的稳定性和可靠性

工作原理

1. 空气供应：空气子系统通过空压机（对于高压燃料电池发动机）或鼓风机（对于低压燃料电池发动机）

将空气泵入燃料电池。这些设备负责为燃料电池提供足够的氧气，以支持其电化学反应的进行。

2. 空气加湿：在进入燃料电池之前，空气需要进行加湿。利用加热棒对储存在加湿罐中的水进行加热，

从而产生水蒸气，用以对空气进行加湿。加湿的目的是保持燃料电池内部环境的湿度，从而确保电化

学反应的顺利进行。

3. 空气调节：空气子系统还需要对进入燃料电池的空气进行压力和流量的调节，可通过背压阀和其他相

关管路来实现。调节的目的是确保空气以适当的压力和流量进入燃料电池，以满足其工作需求。

在整个工作过程中，空气子系统需要与其他子系统（如氢气供给循环系统、水热管理系统等）紧密配

合，以确保燃料电池的正常运行。此外，空气子系统还需要进行定期的维护和保养，以确保其长期稳

定运行

Hydrogen

04

热管理子系统架构

热管理子系统：保证燃料电池工作在合适的温度范围内

电导率传感器

电导率传感器，用于测量液体的电导率

散热水泵

散热水泵对冷却液加压，保证其在冷却系统中循环流动 ，给发动机降温

散热器模组

散热器模组，运用于系统/装置/设备等散热用途的模组单元

工作原理

1. 散热器负责将燃料电池产生的热量传导到外部环境中；冷却风扇则通过强制对流的方式，加速散热

器表面的空气流动，提高散热效率；冷却液循环泵则负责将冷却液在燃料电池和散热器之间循环流

动，带走燃料电池产生的热量

2. 热管理子系统还需要通过温度传感器和控制器等元件，实时监测燃料电池的温度状态，并根据需要

调整散热装置的工作状态，以确保燃料电池始终运行在最佳的温度范围内

Hydrogen

05

电气系统基本架构

电气系统基本架构：高压电气

电气系统基本架构：低压电气

DC/DC转换器

电压变换：通过DC/DC变换器对燃料电池的输出电压进行变换后再提供给电机驱动器

稳定电压：燃料电池的输出电压不稳，通过DC/DC变换器闭环控制系统对其进行稳压

燃料电池电气子系统，通过将燃料电池产生的直流电转换为交流电，并调节电压和电流，以满足电器设备的用电需求

工作原理

1. 燃料电池产生直流电：在燃料电池中，氢气和氧气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，产生电荷，从而产生直流电

2. DC/DC变换器：燃料电池产生的直流电需要通过DC/DC变换器转换为电器设备所需的电压和电流

3. 逆变器：经过DC/DC变换后的电流需要经过逆变器转换为交流电。逆变器会将直流电转换成频率和

幅值可控的交流电

4. 交流电输出：经过逆变器转换后的交流电可以供给各种电器设备使用

DC/DC电气原理

DCDC输入端IN+包含两个继电器，分别为输入预充继电器与输入主继电器

继电器逻辑为：

（1）输入预充使能：输入预充继电器开，输入主继电器开，输入预充继电器关；如果失败则预充报错。

（2）启动->放电->停机 或者 启动->停机

（3）关输入继电器

Hydrogen

Part.02

氢系统在巴哈赛车场景上的应用

The application of hydrogen systems in the Baja racing scene.

当把实验室的宝贝装进赛车时，

我们才真正感受到氢能的美妙

我们秉持安全性，经济性，耐用性的原则

风冷燃料电池（200W~5000W）

•系统架构简单、设备重量低、体积轻便、便携性强 •辅机寄生功率消耗低 •巴哈赛车应用场景下对于功率需求不大，使用风冷燃料电池既可以满足驱动需求又可以降低成本

高压储氢

相较于固态储氢，高压氢瓶的氢容量更高，更加契合耐力赛的需求

在巴哈赛车的应用场景上，高压气瓶所存在的氢泄露的局限性影响被大大削弱，安全性得到保证

相比固态储氢方式质量更轻，减轻赛车整备质量

以高压气瓶为例

•远离高压区，避免电弧 •氢电分离（增加挡板、位置远离） •气瓶相对脆弱，应避免可能的磕碰

Part.03

未来展望

Future Perspectives

Moonlight falls on the lake surface

•氢能巴哈赛事影响力稳步扩大

•氢能源技术的创新和可持续发展

•氢能青年人才的培养与引领

•国际化合作与交流的深化

•传播氢能绿色环保理念，社会接纳度广泛提升

•市场问题，下游市场尚未建立，缺少投资

•技术问题，高性能的压缩机、高性价比的储氢方式

•成本问题，氢能源车价格远超同性能电车，前期基础设施建设投入巨大

•安全问题，软件、硬件以及监管体制

来源丨氢鸿车队（巴哈）张文亮

审核丨尤亦菲 邸蒙蒙

编辑 | 原敬鑫

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