典型車載燃料電池系統(tǒng)原理和結(jié)構(gòu)設(shè)計的研究

盧鵬，張勝強，馬歡歡，石攀，劉晶晶，鄭君旋

(1.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300；2.中汽研軟件測評(天津)有限公司，天津 300300)

0 引言

燃料電池汽車作為新能源汽車發(fā)展過程中的一項重要技術(shù)路線，因其零排放、加氫快、續(xù)航里程長的優(yōu)點[1-3]，被普遍認為是解決全球能源和環(huán)境問題的理想方案。

從國外燃料電池電動汽車發(fā)展歷程可以看出，豐田、本田、現(xiàn)代、戴姆勒、通用等世界汽車行業(yè)龍頭企業(yè)，已基本完成了燃料電池汽車的性能研發(fā)工作，整車性能已達到傳統(tǒng)燃油汽車水平。根據(jù)國際自動機工程師學會(Society of Automotive Engineers，SAE)統(tǒng)計[4]，國外車企如福特、豐田和本田均在燃料電池系統(tǒng)設(shè)計和開發(fā)上開展了大量的工作，并將部分成果以文獻形式發(fā)布，如圖1所示。

我國燃料電池汽車行業(yè)起步較晚，研發(fā)投入較高的上汽集團，已完成前后四代氫燃料電池轎車的開發(fā)，在氫能和燃料電池技術(shù)領(lǐng)域取得了較大進展。近期，財政部、工信部、科技部、發(fā)改委等部門聯(lián)合發(fā)布了《關(guān)于完善新能源汽車推廣應(yīng)用財政補貼政策》的通知[5]。通知指出，力爭在4年內(nèi)，圍繞燃料電池汽車關(guān)鍵零部件和核心技術(shù)攻關(guān)，建立氫能和燃料電池汽車產(chǎn)業(yè)鏈。各個地區(qū)也紛紛出臺了引導政策，例如上海市計劃新建5座加氫站[6]，推動燃料電池汽車的示范應(yīng)用，燃料電池汽車將迎來快速發(fā)展時期。

圖1 國外著名的汽車公司有關(guān)燃料電池和系統(tǒng)設(shè)計方面的文獻數(shù)量

燃料電池系統(tǒng)作為動力總成系統(tǒng)的核心，核心零部件眾多、設(shè)計方案復雜，成為了制約國產(chǎn)燃料電池汽車研發(fā)和應(yīng)用過程中的技術(shù)壁壘。本文作者對國外幾款典型的燃料電池汽車的性能參數(shù)進行了對比分析，對整車驅(qū)動方式進行了總結(jié)分析。同時對燃料電池系統(tǒng)方案進行了研究，分析了各車型系統(tǒng)方案的原理、特點和整體發(fā)展趨勢，為國內(nèi)整車燃料電池系統(tǒng)方案的制定提供了參考。

1 整車集成及性能參數(shù)的研究

如表1所示，通過國內(nèi)外燃料電池乘用車性能參數(shù)對比[7-8]，可知其動力性、續(xù)駛里程及百公里加速時間等基本性能指標上，與世界先進水平差距較小。但在電堆功率密度等關(guān)鍵性能指標方面，還遠遠落后于世界先進水平，并且核心部件大多依賴進口，無法實現(xiàn)國產(chǎn)化，相關(guān)技術(shù)水平至少落后發(fā)達國家5～10年。

表1 國內(nèi)外燃料電池乘用車性能參數(shù)對比

目前國外燃料電池汽車廣泛采用燃料電池系統(tǒng)與動力蓄電池混合驅(qū)動的方案[9]，即燃料電池混合動力車(Fuel Cell Hybrid Vehicle，F(xiàn)CHV)，如圖2所示[10]。該方案可解決燃料電池的性能和壽命問題，但另一方面也會導致汽車自身質(zhì)量增加，影響整車動力性能；同時加大汽車架構(gòu)設(shè)計難度，產(chǎn)生了額外的投入成本。

圖2 燃料電池汽車的基本配置

2 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

2.1 福特P2000燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

早期福特P2000 FCEV燃料電池系統(tǒng)示意圖，如圖3所示[11]。該系統(tǒng)由氫氣供應(yīng)、空氣供應(yīng)、去離子水管理和熱管理4個子系統(tǒng)組成。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由儲氫瓶、電磁閥、壓力調(diào)節(jié)閥、加濕器、引射器組成，是一個可實現(xiàn)氫氣循環(huán)的閉合回路。電磁閥用來調(diào)節(jié)供氫通道的開通和關(guān)斷。壓力調(diào)節(jié)閥用來控制進入電堆的氫氣壓力和流量。氫氣在經(jīng)過幾個減壓階段和加濕器加濕后被供應(yīng)到燃料電池堆。引射器利用氫氣消耗所產(chǎn)生的壓降實現(xiàn)氫氣循環(huán)。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)主要由空氣壓縮機、加濕器、壓力調(diào)節(jié)閥組成?？諝饨?jīng)空氣壓縮機壓縮后，通過過濾器和加濕器，將空氣供給燃料電池堆。與氫氣供應(yīng)相比，空氣供應(yīng)系統(tǒng)是一個沒有空氣循環(huán)的開路。壓力調(diào)節(jié)閥根據(jù)車輛的行駛工況，控制空氣以不同的流速和壓力提供給電堆。

圖3 福特P2000燃料電池系統(tǒng)布置

去離子水系統(tǒng)主要由水分離器、去離子水箱、水泵組成。從陰極排氣氣流中的水被水氣分離器抽走后，收集到去離子化水箱中。為了獲得良好的加濕性能，熱管理系統(tǒng)使用了一個帶有去離子水箱的閉合冷卻回路。該系統(tǒng)由水泵、熱交換器、去離子水箱和兩個加濕器組成。去離子水通過水泵進入燃料電池堆，出堆的冷卻水先進入熱交換器散熱，再經(jīng)過二次冷卻回路冷卻。這個二次冷卻回路由另一個水泵循環(huán)，通過散熱器帶走電堆余熱。氫氣和空氣加濕器均位于去離子水環(huán)路的回流路徑上，利用回路中溫度較高的水，提高了加濕器的性能。

2.2 豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

豐田Mirai中燃料電池系統(tǒng)由氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)3個子系統(tǒng)組成。與豐田2008款FCHV-adv車型相比，最顯著的變化是系統(tǒng)的簡化，去掉了外部加濕器，并整合了閥門的功能[12-13]，如圖4所示。

圖4 豐田Mirai燃料電池系統(tǒng)布置

Mirai的氫氣系統(tǒng)主要由氫氣調(diào)節(jié)閥、3個氫氣引射器、氫氣循環(huán)泵和吹掃閥組成。各部分主要作用為：氫氣調(diào)節(jié)閥將氫罐壓力從70 MPa降到1 MPa，以滿足燃料電池堆內(nèi)壓力要求。在氫再循環(huán)回路的上游，采用3個氫氣引射器用于控制進堆氫氣的壓力和流量。由于豐田Mirai首次采用了無外部加濕器的設(shè)計，作為替代，豐田開發(fā)了高效的氫氣循環(huán)泵，可以將電堆陽極出口處沒有參與內(nèi)部電化學反應(yīng)的氫氣再次循環(huán)至電堆，提高燃料利用率并優(yōu)化了水管理。吹掃閥用來去除燃料電池陽極通道中液態(tài)水和氮氣。

空氣系統(tǒng)主要由空氣過濾器、壓縮機、中冷器、空氣閥、空氣截止閥和消聲器組成?？諝馔ㄟ^空氣過濾器濾除空氣中灰塵、砂粒后進入壓縮機。壓縮機采用六葉螺旋羅茨式空壓機，作用是將空氣源源不斷地輸送到電堆入口并增壓。中冷器用于降低增壓后的高溫空氣溫度，以降低電堆熱負荷，提高進氣量?？諝忾y控制氣體進入電堆，根據(jù)加速踏板控制閥門開度并調(diào)節(jié)氣體分流情況，改變發(fā)電量。不發(fā)電時，則關(guān)閉閥門?？諝饨刂归y用來調(diào)節(jié)電堆出口側(cè)空氣壓力。出口處消聲器通過降低微振動效應(yīng)，降低高壓氣流的排放噪聲。

熱管理系統(tǒng)主要由水控閥、冷卻液泵、去離子裝置、冷卻風扇、主副散熱器組成。其中電動水泵和水控閥是電堆溫度控制的核心部件。電動水泵根據(jù)電堆進出口冷卻液溫差控制冷卻液供應(yīng)至燃料電池堆，電堆下游的冷卻水控閥通過控制主副散熱器側(cè)之間的流量，改變流經(jīng)主散熱器和副散熱器的冷卻水比例，進而控制冷卻液溫度使燃料電池堆在70～80 ℃附近溫度高效率發(fā)電。冷卻風扇的作用是增大流經(jīng)散熱器的空氣流速。去離子裝置的作用是去除冷卻系統(tǒng)中冷卻液中融解的離子，降低冷卻液電導率，保持電堆與其他部件電隔離。

在燃料電池系統(tǒng)中，必須控制電解液膜的濕度，以保證足夠的質(zhì)子電導率，穩(wěn)定發(fā)電。這一功能通常由外部加濕器實現(xiàn)。然而，外部加濕器會增加空氣系統(tǒng)的壓力損失，這會增加系統(tǒng)的負荷并需要額外的零件，從而增加了系統(tǒng)的復雜性，不利于系統(tǒng)集成化、小型化。為此，豐田開發(fā)了一種無外部加濕器的新型燃料電池系統(tǒng)，除了文中提到了新型高效的氫氣循環(huán)泵，電堆結(jié)構(gòu)也需要作出創(chuàng)新性的改變，如圖5、圖6所示。

在電芯層面[14-16]，陰極采用了3D立體精細微流道技術(shù)，反應(yīng)產(chǎn)生的水能夠通過親水性的三維細網(wǎng)格流場快速抽出，防止積聚的水阻礙空氣(氧氣)的流動。同時通過改變肋槽通道寬度，產(chǎn)生湍流，促進氧氣向催化劑層擴散。

圖5 豐田Mirai燃料電池堆陰極3D流場設(shè)計

圖6 豐田Mirai燃料電池堆自增濕方法

在電堆層面[17-19]，采用內(nèi)部循環(huán)系統(tǒng)，無需加濕器，利用電池內(nèi)產(chǎn)生的水蒸氣自我加濕，保持電解質(zhì)膜的質(zhì)子傳導性能。具體效果主要有3點：

(1)陽極采用增加氫氣循環(huán)量，以及形成空氣/氫氣逆向流動的措施，增加了從上游到下游的水蒸氣供應(yīng)，對入口處干燥空氣進行加濕；

(2)采用更薄的電解液膜，促進陰極側(cè)反應(yīng)產(chǎn)物水的反擴散；

(3)冷卻液保持較低的溫度，抑制交換膜上水分的蒸發(fā)。

2.3 本田Clarity燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

圖7(a)展示了本田Clarity中氫氣系統(tǒng)和空氣系統(tǒng)的配置。氫氣系統(tǒng)主要分為高壓氫系統(tǒng)和低壓氫系統(tǒng)。高壓氫氣系統(tǒng)由加注口、氫氣瓶、截止閥、調(diào)節(jié)閥組成。使用時加注口與氫氣站相連，在加注氫氣和燃料電池堆運行時主截止閥控制氫氣進出。向燃料電池堆輸送氫氣時，調(diào)節(jié)閥用來將高壓氫罐中的高壓(最高可達87.5 MPa)氫氣調(diào)節(jié)至適當?shù)膲毫Ψ秶５蛪簹錃庀到y(tǒng)由引射器、噴射器、吹掃閥、排水閥組成。噴射器主要用來精確控制電堆入口側(cè)氫氣的壓力和流量。引射器用來控制流速，在電堆出口循環(huán)多余的氫氣。燃料電池堆電化學反應(yīng)過程中，陽極側(cè)會產(chǎn)生大量的液態(tài)水，排水閥和吹掃閥主要用來將陽極側(cè)殘余水和雜質(zhì)及時高效排出。

空氣系統(tǒng)由空氣泵、陰極截止閥、旁通閥、加濕器、旁通閥、壓力調(diào)節(jié)閥和陰極截止閥組成。陰極截止閥主要用來調(diào)節(jié)從空氣泵進入的陰極側(cè)進堆空氣壓力。旁通閥和加濕器一起，通過高精度濕度反饋控制來調(diào)節(jié)空氣濕度，優(yōu)化電堆水管理能力。壓力調(diào)節(jié)閥主要用來控制從氣泵供應(yīng)的空氣壓力。電堆入口/出口處安裝有一個電堆旁通閥，該閥和陰極截止閥同時關(guān)斷后將空氣密封在電堆中。

圖7(b)為熱管理系統(tǒng)原理圖[20]，包括燃料電池堆和電堆冷卻裝置，電堆冷卻裝置由冷卻液泵、加熱器、節(jié)溫閥(三通閥)、離子交換器和散熱器組成。冷卻系統(tǒng)的主要作用是將電堆內(nèi)產(chǎn)生的熱量通過散熱器散掉。電堆冷卻裝置各部件功能為：冷卻液泵對冷卻液增壓并向電堆輸送冷卻液；冷卻液通過雙極板和冷卻流道與燃料電池中產(chǎn)生的熱量進行換熱；散熱器向外部環(huán)境散熱；節(jié)溫閥通過設(shè)置冷卻液是否流經(jīng)散熱器，實現(xiàn)大小循環(huán)散熱(低溫時與加熱器循環(huán)快速暖機、高溫時與散熱器循環(huán)快速冷卻)；離子交換器通過去除冷卻液中的離子來降低冷卻液電導率，保證車輛電安全和防止電堆腐蝕；加熱器回路通過冷卻液回收電堆產(chǎn)熱。

圖7 本田Clarity燃料電池系統(tǒng)布置

2.4 現(xiàn)代NEXO燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

NEXO燃料電池系統(tǒng)由空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)組成，如圖8所示。空氣供給系統(tǒng)的主要零部件有濾清器、空壓機、加濕器、空氣截止閥和背壓閥等；氫氣供給系統(tǒng)的主要零部件有氫氣截止閥、氫氣供給閥、引射器、吹掃閥、脫水器和排水閥等；熱管理系統(tǒng)的主要零部件有散熱器(風扇)、四向閥、PTC加熱器、水泵、COD加熱器和雙向閥等。其中空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)布置與零部件組成與國際主流形式基本一致。區(qū)別在于NEXO使用了雙向閥和四向閥，同時使用PTC(正溫度系數(shù))熱敏電阻和COD加熱器快速制熱，提高了電堆制冷劑溫度控制的響應(yīng)性，因此具有較好的低溫冷啟動能力。

3 結(jié)論

經(jīng)過幾十年的發(fā)展，車載的燃料電池系統(tǒng)方案不斷優(yōu)化升級，各企業(yè)在其原有車型的基礎(chǔ)上不斷改進，形成了各具特色的設(shè)計方案。文中通過對福特、本田、豐田、現(xiàn)代等公司典型燃料電池車型的解析，總結(jié)出燃料電池汽車的燃料電池系統(tǒng)設(shè)計要點如下：

(1)燃料電池系統(tǒng)集成在傳統(tǒng)發(fā)動機室是未來的發(fā)展趨勢。對于燃料電池汽車，減少燃料電池堆和組件的體積是提高燃料電池系統(tǒng)容量、功率密度的重要途徑。然而對于高性能燃料電池系統(tǒng)，組件的體積已經(jīng)很難降低。因此將燃料電池堆及其組件與驅(qū)動電機集成，以及減少燃料電池系統(tǒng)中不同部件之間連接管的數(shù)量和長度，可有效提高系統(tǒng)功率密度。

(2) 目前加濕系統(tǒng)主要有外部加濕和內(nèi)部加濕兩種方案。目前主流的燃料電池汽車仍然廣泛采用外部加濕的方案。雖然外部加濕裝置可能會增加燃料電池系統(tǒng)的復雜性和成本，但它可以克服沒有加濕的水管理系統(tǒng)所帶來的問題。為了克服這一問題，需要提高膜電導率和改善流場結(jié)構(gòu)，以獲得燃料電池堆在低濕度條件下所需的性能。

(3)氫氣再循環(huán)是燃料電池系統(tǒng)的常用技術(shù)。濕化、氫再循環(huán)和陰極加壓這3種措施對燃料電池系統(tǒng)的性能、容量和功率密度都有重要影響。此外，燃料電池系統(tǒng)中還需具有空氣循環(huán)和旁路設(shè)計，以減輕燃料電池系統(tǒng)在快速啟動/關(guān)閉和低溫啟動過程中的耐久性退化。