氫燃料電堆及冷卻系統(tǒng)在實際生產(chǎn)中應(yīng)注意的問題

賈秀雷 高建路

摘 要：基于目前國內(nèi)氫燃料電池技術(shù)還處于研究、引進和樣車試驗階段，沒有大批量的投入生產(chǎn)與應(yīng)用，同時，對于批量安裝氫燃料電堆及冷卻液的性能、管路清洗、冷卻液的加注等使用方法也沒有統(tǒng)一的、指導(dǎo)性的標準和意見，也沒有明確提出具體可參考的工藝方法和加注設(shè)備來完成批量性的生產(chǎn)任務(wù)，文章將根據(jù)我公司實際批量生產(chǎn)過程中，面臨的問題及解決措施做簡要闡述。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池;冷卻液;技術(shù)參數(shù);管路清洗;加注

中圖分類號：U469.72? 文獻標識碼：A? 文章編號：1671-7988（2019）04-22-03

CLC NO.： U469.72? Document Code： A? Article ID： 1671-7988（2019）04-22-03

引言

國家推廣新能源汽車作為“藍天保衛(wèi)戰(zhàn)”[1]的重要戰(zhàn)略，隨著純電動新能源汽車補貼政策的逐年退坡，對新能源汽車有了更嚴格的要求，這無疑是對相關(guān)車企的質(zhì)量和技術(shù)等系統(tǒng)“硬件”的新一輪考驗，但在實際生產(chǎn)和使用過程中，也越來越發(fā)現(xiàn)，純電動車生產(chǎn)與銷售已出現(xiàn)短板：純電動汽車的短板是續(xù)駛里程和充電時間，尚不能滿足量大面廣的遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸?shù)仁袌鲂枨?生產(chǎn)電池芯的原材（鈷）[2]主要靠進口，需求越大，進價越高，汽車生產(chǎn)企業(yè)明顯感到原材料成本的壓力，造成整車利潤的降低，生產(chǎn)新能源汽車的積極性降低;電池使用壽命、更新及回收帶來的成本問題也逐漸提到日程上來。為此，國家及時把產(chǎn)業(yè)化重點向燃料電池汽車拓展。燃料電池汽車具有清潔零排放、續(xù)航里程在500公里以內(nèi)、加注時間快的特點，由于氫燃料電池車的排放產(chǎn)物只有水，因此作為未來汽車的終極目標，遠遠超越了以石油為動力的內(nèi)燃機車型。從長遠來看，氫燃料[3]是汽車能源的一種終極解決方案。

中國氫能聯(lián)盟理事長、國家能源集團總經(jīng)理凌文介紹，未來氫能將在小汽車、軌道交通、船舶、航天、物流系統(tǒng)、礦用車等領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。以乘用車為例，到2030年，將發(fā)展100萬輛燃料電池車，在建加氫站1000座;到2050年，氫燃料電池車和發(fā)電均實現(xiàn)大規(guī)模應(yīng)用。根據(jù)《能源技術(shù)革命創(chuàng)新行動計劃（2016-2030年）》，氫能與燃料電池技術(shù)創(chuàng)新是重點任務(wù)之一。

我國是第一產(chǎn)氫大國，具有豐富的氫源基礎(chǔ);到2050年氫在我國終端能源體系占比至少達10%，廣泛應(yīng)用于交通、化工原料、工業(yè)、建筑等領(lǐng)域，成為我國能源戰(zhàn)略的重要組成部分。

1 氫燃料電堆與車輛的連接與使用

氫燃料電堆[4]產(chǎn)生的高壓電經(jīng)調(diào)整、轉(zhuǎn)換、整理后，一部分儲存在高壓蓄能電池內(nèi)，另外一部分直接傳給車輛供電使用。如圖1所示。

2 氫燃料電堆工作系統(tǒng)組成

氫燃料電堆通過氫燃料與單極板、雙極板[5]、電解質(zhì)、擴散層、膜電極、催化劑[6]等發(fā)生一系列的電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生電能，相當(dāng)于一個小型發(fā)電裝置。圍繞著其主要功能，還包括其它總成：儲存氫氣的儲氫罐;冷卻電堆系統(tǒng)的散熱器及冷卻液，還有與冷卻液管路中串聯(lián)的冷卻液去離子罐;為散熱器提供冷卻空氣的空壓機，和其前端的空濾器。如圖2所示。

3 氫燃料電堆的冷卻系統(tǒng)

目前燃料電池的效率在40%～60%之間，大約50%的化學(xué)能可以轉(zhuǎn)換為電能，其余的絕大多數(shù)能量會轉(zhuǎn)換為熱量，因此燃料電池發(fā)動機通過冷卻系統(tǒng)排出的熱量很大。

由于質(zhì)子交換膜[7]對溫度非常敏感、同時燃料電池排氣溫度較低，與傳統(tǒng)汽車對比與環(huán)境的溫差小，因此對散熱系循環(huán)回路提出了很高的要求。

為確保燃料電池溫度分布的均勻性，進出口冷卻液溫差一般不超過 10℃。對于大功率燃料電池，這些熱量一般是通過特殊處理的水將熱量帶走，再通過外冷卻裝置將熱量散出。氫燃料電池對冷卻水溫、進出水溫差和水流量有著苛刻的要求，一般冷卻液的進口溫度控制在 65℃ 左右，出口溫度控制在 75 ℃ 左右，且控制精度要求高，一般要求在規(guī)定值±1℃范圍內(nèi)，水溫和進出水溫差的保證程度將直接影響電池的性能和壽命。大約有 95% 的廢熱需要通過冷卻水來帶走，而對于傳統(tǒng)發(fā)動機[8]而言這個數(shù)值只有 50%左右，由此可見燃料電池發(fā)動機通過冷卻系統(tǒng)的散熱量相對較高。這些問題需要冷卻液來解決，冷卻液的選擇、管路清洗、加注對整個系統(tǒng)的有效輸出提供支持。

4 冷卻液技術(shù)參數(shù)

冷卻液在整個系統(tǒng)中工作流程中起到很重要的作用，其相關(guān)技術(shù)參數(shù)，加注前的造型、材料匹配、清洗等工作決定了電堆的正常使用、運行壽命、維護成本等。

氫燃料冷卻液第1個指標也是最重要的指標是要求電導(dǎo)率（Conductivity）<5μS/ cm，但在實際應(yīng)用中要求未裝車之前電導(dǎo)率<2μS/ cm。因為電堆及散熱器、管路等雖然經(jīng)過清洗，但也可能要析出部分離子?，F(xiàn)在了解的兩種冷卻液未裝車前都能達到電導(dǎo)率<2μS/ cm的要求，并且裝車后，也能維持這個水平。

指標2為乙二醇與去離子水按體積1：1混合，當(dāng)然現(xiàn)在現(xiàn)在各廠家有微小區(qū)如巴斯夫它含有48%體積的乙二醇，另外就是各種添加劑。考慮電堆需要低溫冷凍保護的情況下，必須使用更高的乙二醇濃度。乙二醇可以增加冷卻液的冰點，但它的粘度較高。與純乙二醇相比，水具有較低的粘度、較高的熱導(dǎo)率和較高的熱容量，因此具有較低的乙二醇濃度的溶液具有較好的傳熱性能。

添加劑是冷卻液的核心技術(shù)，它選擇的非離子型抑制劑具有非常低的、長期穩(wěn)定的導(dǎo)電性，這個配合去離子裝置確保了燃料電池動力裝置的安全運行。其他要求顆粒大小<100 μm;氯離子含量≤0.0002%;鐵離子含量≤0.0002%。

5 冷卻液加注操作時的要點

5.1 電堆及管路的清洗

需要先對零部件清洗再連接完所有水路進行整體清洗。除了用去離子水清洗單件外，還要清洗整個管路系統(tǒng)。連接完管路加注去離子水（一定要用去離子水），然后給電推一個24V外接電源進行電推內(nèi)部循環(huán)。并不斷測試去離子水電導(dǎo)率，如果一次清洗達不到電導(dǎo)率<5μS/ cm的要求，需要放掉第一次的去離子水再加注新水，此種方式不斷循環(huán)直至達到要求。

5.2 冷卻液加注

因電堆內(nèi)部結(jié)構(gòu)為雙極板結(jié)構(gòu)，金屬雙極板的精度要求是微米級的，如加注時水壓過高會造成電堆極板變形，間隙不勻，電堆雙極板間隙就會變化，當(dāng)超到其彈性變形或極限時，就會造成電堆“中毒”，永久損壞，所以在加注時一定要保證加注管道內(nèi)的壓力≤0.58Mpa。

在采用水泵加注的實際操作過程中，單靠人工，此壓力是不能保證的，需要在加注管路上加裝0.5bar g 的泄壓閥，當(dāng)水泵加注壓力大于此數(shù)據(jù)時，管路系統(tǒng)壓力將自動減小，使之達到符全要求的壓力。

5.3 因現(xiàn)在國內(nèi)無相關(guān)標準加注設(shè)備及配置

我們根據(jù)實際加注工作經(jīng)驗總結(jié)了以下幾點：

（1）加注機（水泵）型號的選擇標準是根據(jù)車輛加注口與冷卻液儲存罐的相對高度，保證其揚程能達到，一般要低于5米。

按照目前現(xiàn)行的做法，冷卻液儲存罐接水口處的高度在260mm左右，等同于加注機（水泵）的位置高度，散熱器的出水口（也就是最低點）高度在350mm左右，能滿足正常加注的要求。

因加注的壓力和流量均不大，加注機采用的是220V的葉片泵，殼體和大部單件為ABS材質(zhì)，以減少泵內(nèi)部件金屬離子的析出，為防止加注機（泵）斷電停止后冷卻液的回流，需要在散熱器的出水口與加注機（泵）之間串聯(lián)一臺電控閥，實現(xiàn)通電時閥門打開，斷電時閥關(guān)閉，1個開關(guān)同時控制著電控閥與加注機（泵）。如圖3所示。

（2）加注前對加注設(shè)備管路內(nèi)部用去離子水進行清洗，多次清洗直至去離子水的電導(dǎo)率<2μS/ cm。

（3）先從散熱器的出水口（也就是最低點）加注，目的是對電推及管路內(nèi)的空氣進行有效排空。

（4）加注后啟動電腦程序進行排空，觀察副水箱直至水箱內(nèi)無氣泡出現(xiàn)為止。

至此，本次加注全部完成，如在路試過后需要補加冷卻液，則直接在副水箱處加注即可。如圖4所示。

6 結(jié)論

通過本次批量氫燃料電池車輛的生產(chǎn)，采用了上述的加注方法，經(jīng)檢測和2次完成充放氫氣循環(huán)的路試，車輛能夠達到正常著火、正常運行、正常自動檢測的目標，整車達到合格的標準。

此生產(chǎn)工藝的實現(xiàn)，為以后大批量生產(chǎn)及同行業(yè)的推廣使用打下良好的基礎(chǔ)。

參考文獻

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