車用燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)水熱管理系統(tǒng)探討＊

夏全剛

（1.上海燃銳新能源汽車技術(shù)有限公司，上海 201805；

2.浙江清華長(zhǎng)三角研究院氫燃料電池汽車技術(shù)研究中心，浙江 嘉興 314000）

前言

近年來環(huán)境污染日益加重，為減少污染，新能源車越來越普及，而氫能汽車是很好的方向。燃料電池汽車是電動(dòng)汽車的一個(gè)重要分支，隨著 2015年日本豐田的燃料電池車MIRAI開始在日本及北美市場(chǎng)銷售，國(guó)內(nèi)外諸多研究人員[1-3]的深入研究[4-5]，我國(guó)也正式由實(shí)驗(yàn)室研究階段轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化階段[6]，其燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與鋰電池相比，具有低溫啟動(dòng)性好、壽命長(zhǎng)、重量輕、續(xù)駛里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短、對(duì)環(huán)境無污染等特點(diǎn)，大規(guī)模的氫資源，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在一定溫度、濕度與壓力的環(huán)境下，將空氣中的氧氣與燃料在催化劑的催化作用下，產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。其核心，電堆是由一片片的單電池并聯(lián)而成，而每一片單電池是由雙極板與 MEA（membrane electrode assembly）組成?？諝庀到y(tǒng)需要一定的增壓與加濕裝置，在電堆雙極板的陰極側(cè)參加反應(yīng)；氫氣一般存貯在高壓氣瓶中，氫氣系統(tǒng)需要一定的減壓與加濕系統(tǒng)，在電堆雙極板的陽(yáng)極側(cè)參與反應(yīng)；反應(yīng)中產(chǎn)生的熱，通過冷卻系統(tǒng)的散熱器總成將其熱量帶走，保證整個(gè)系統(tǒng)在最佳的工況運(yùn)行。為了保證系統(tǒng)的整體運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)中采取一定的輔助手段，比如低溫啟動(dòng)采用輔助電加熱器，電堆中 MEA（membrane electrode assembly）的水淹現(xiàn)象采用一定時(shí)間的吹掃，陰陽(yáng)極壓差超高采用一定穩(wěn)壓控制策略，氫、空系統(tǒng)采用一定的閉環(huán)等，從而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，保證系統(tǒng)可靠平穩(wěn)運(yùn)行。

1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)水熱管理的概念

本文以某款30KW系統(tǒng)為研究范圍，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)汽車動(dòng)力系統(tǒng)的心臟[7]，主要包括空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。其中燃料電池電堆包括單電池模組，單電池采樣 CVM（cell voltage measuring）等零部件；空氣子系統(tǒng)包括空氣濾清器、流量計(jì)、空壓機(jī)、膜加濕器、電磁三通閥、節(jié)氣門等零部件；氫氣子系統(tǒng)包括氫進(jìn)電磁閥、噴氫引射器、汽水分離器、尾排電磁閥等零部件；水熱管理子系統(tǒng)包括水泵、電磁三通閥、電加熱器、散熱器總成、去離子裝置等零部件；控制子系統(tǒng)包括控制模塊FCU（Fuel control unit）、線束總成等零部件。其系統(tǒng)模塊化集成結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要針對(duì)水熱管理子系統(tǒng)進(jìn)行一定的探討與分析。

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)軸側(cè)圖

2 水熱管理系統(tǒng)的計(jì)算與分析

水熱管理系統(tǒng)包括FCE（fuel cell energy）冷卻系統(tǒng)以及輔助冷卻系統(tǒng)，本文以FCE冷卻系統(tǒng)為例來進(jìn)行一定的匹配計(jì)算。其工作原理圖如圖2所示：

圖2 水熱管理系統(tǒng)工作原理圖

此款30KW系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

1）設(shè)計(jì)環(huán)境溫度：40 ℃

2）FCE設(shè)計(jì)散熱量為37 kW，燃料電池工作需求的水溫3-85 ℃。

2.1 冷卻水泵

3）壓力滿足電堆需求≤2 bara（絕壓）

水泵是燃料電池冷卻系統(tǒng)的最為核心部件，其功能是在燃料電池系統(tǒng)電堆在不同工況工作時(shí)，通過控制器FCU采集一定的傳感器信號(hào)，時(shí)時(shí)滿足電堆的流量、壓力、溫度要求。

以電堆所要求的最大散熱量37 kW來進(jìn)行FCE水泵性能匹配計(jì)算，F(xiàn)CE水泵最大流量應(yīng)為：

選擇內(nèi)徑為φ32mm的塑膠管，水路中冷卻水流速根據(jù)公式：

式中：Q為冷卻水流量；A為管路截面積；r為管路半徑。冷卻水流速為：

沿程阻力損失：

接頭阻力損失：

彎頭阻力損失：

因此，水路中阻力損失為：

2.2 電磁三通閥

電磁三通閥根據(jù)冷卻水溫度、流量及壓力通過一定的控制程序自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)入散熱器總成的水量，以保證燃料電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作，可起到節(jié)約能耗等作用。此款30KW系統(tǒng)最佳的電堆入口溫度為 73℃，通過電磁三通閥的調(diào)節(jié)作用保證出口的溫度不超過81℃，使系統(tǒng)在最佳的工況下運(yùn)行。

2.3 去離子水箱

去離子水箱是由可拆卸的去離子球或裝置與滿足一定容積的水箱集成所得，解決了去離子器阻力大的問題，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)便。而冷卻液是由一定濃度的乙二醇和去離子水混合而成，為增加系統(tǒng)的可靠性，添加了一定比例的緩蝕劑，能夠延緩銹蝕，抑制水熱系統(tǒng)導(dǎo)電性等功能。

2.4 其余部件

電加熱器和散熱器總成在傳統(tǒng)燃油車和鋰電池新能源車中使用已相對(duì)比較成熟。電加熱器保證系統(tǒng)低溫啟動(dòng)的正常運(yùn)行；而散熱器總成則保證系統(tǒng)在最佳的工作溫度下運(yùn)行。

水熱管理系統(tǒng)中每個(gè)部件相輔相成，通過水泵的調(diào)速運(yùn)行保證系統(tǒng)的流量與壓力滿足需求；通過電磁三通閥與電加熱的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)以最快的速度升溫到系統(tǒng)最佳的工作溫度；散熱器總成通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)最佳運(yùn)行溫度的穩(wěn)定性；去離子水箱中的添加一定比例緩蝕劑的乙二醇去離子水溶液，能夠最大限度的抑制管路內(nèi)部的銹蝕，盡可能的保證系統(tǒng)在離子濃度≤5μs/cm的環(huán)境下運(yùn)行。

3 水熱管理系統(tǒng)的失效分析

該款30KW系統(tǒng)安裝在某款大巴車上，經(jīng)過長(zhǎng)達(dá)兩年的實(shí)車測(cè)試與驗(yàn)證，噪音小、運(yùn)行平穩(wěn)，但最后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電堆中的單體電壓下降了很多，經(jīng)過理論與實(shí)踐分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中好多零部件存在一定的隱患。

3.1 去離子水溶液失效分析

在整車運(yùn)行時(shí)，采用了去離子水溶液進(jìn)行系統(tǒng)冷卻，發(fā)現(xiàn)去離子水溶液在運(yùn)行一段時(shí)間后存在一定的渾濁現(xiàn)象，通過不同倍率的電鏡掃掠可知，去離子水溶液中多了不同種類的物質(zhì)，具體如圖3所示。采用紅外光譜做進(jìn)一步的定性分析可知，不同種類的物質(zhì)以含有硅的有機(jī)物為主，具體結(jié)果如圖4所示。

圖3 電鏡掃略圖

圖4 紅外光譜分析曲線圖(a)

圖5 紅外光譜分析圖(b)

為確保不同種類物質(zhì)的屬性及比例，進(jìn)一步通過紅外光譜做定量分析，發(fā)現(xiàn)里面含有CaCO3、SiO2、Al2O3、SiO2、Fe、Cu、Ag、Sn、PbF2，如圖 5所示。通過對(duì)系統(tǒng)不同部件的分析，發(fā)現(xiàn)硅化物的存在可能是塑膠管的問題；鋁化物的存在可能是散熱器、電加熱器或水泵的問題；鐵、銅或銀的存在可能是管路接頭或傳感器的問題；鈣化物的存在可能是MEA和雙極板的問題。不同物質(zhì)的析出最終會(huì)導(dǎo)致電堆的失效，系統(tǒng)的停機(jī)。具體結(jié)果如表1所示。

表1 參數(shù)表

3.2 其余部件失效分析

通過對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步拆解，我們發(fā)現(xiàn)諸多部件已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕與結(jié)垢現(xiàn)象，為水熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化，提供了一定的借鑒與參考，如圖6、圖7、圖8所示。圖7是系統(tǒng)的某根管路，出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)垢，大量的硅化物析出，其原因是管路壁面選用材質(zhì)與處理工藝不符合要求；圖8、圖9是系統(tǒng)的某水泵與傳感器，出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕，其原因是選用的材質(zhì)與處理的工藝不符合要求。

圖6 某管路局部圖

圖7 某水泵局部圖

圖8 某傳感器局部圖

4 結(jié)束語(yǔ)

本文從水熱管理系統(tǒng)的角度進(jìn)行了一定的匹配計(jì)算與失效分析，從宏觀與微觀方向，對(duì)部分失效部件進(jìn)行一定的定量與定性分析，并提出了部分解決方案。為科研及工程技術(shù)人員進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)工藝提供了一定的參考意義。