国外典型燃料电池汽车水、热管理系统解析

2021年11月8日汽车技术评论3,012阅读模式

摘要：水、热管理是燃料电池汽车研究与开发的核心关键技术之一，对整车动力系统的性能、安全和寿命具有决定性影响。分析了水、热对燃料电池的影响和水热管理的设计要求，并通过对国外典型燃料电池汽车水热管理系统布置方案的分析，解析其结构特点，为国内整车企业水、热管理系统方案的制定提供参考。

引言

燃料电池汽车是新能源汽车的一个重要技术路线，因其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。美国、欧盟、日本和韩国都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究[1]。丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司已开发出燃料电池车型并进行示范运行[2]。中国对燃料电池汽车的研发也同样重视，对燃料电池汽车及其相关技术也提出了明确的发展规划[3]。目前，燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段，其中一些关键技术还不够成熟，仍有部分关键问题亟待解决。其中，水、热管理是燃料电池动力系统研究与开发的核心关键技术之一，对整车动力系统的性能、安全和寿命具有决定性影响[4]。如果设计不合理，会造成燃料电池性能降低、缩短寿命，甚至出现安全隐患。为了保证燃料电池汽车的正常运行和乘坐的舒适性，对整车进行有效水、热管理十分必要。本文主要对国外几款典型的燃料电池汽车水热管理系统方案进行解析，分析其系统方案的特点，为国内整车企业水、热管理系统方案的制定提供参考。

1 水、热管理系统的设计要求

1.1 水管理

车用燃料电池中质子交换膜是一种固态电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂，同时在阳极和阴极之间传递质子[5]。质子交换膜需要有水润湿的状态下才能够传导质子，含水量过低，其电导率将会下降，导致电池的欧姆电压损失增大，膜失水后催化层界面的活性也会下降。电池内部过多的液态水，会导致电极水淹，会阻碍氧气的传递，降低催化剂的利用率，阻碍电化学反应的正常进行，使电池性能下降，功率密度越大，这种潜在的影响也就越大；过多的气态水，会稀释反应气体的浓度，造成反应界面的反应气体不足[6，7]。因此，为了实现高输出功率密度的设计，始终确保质子交换膜中稳定的含水量至关重要[8]。

在设计燃料电池水管理系统时，主要考虑以下各项之间的平衡[7]：

①进气加湿和排气排水；

②反应在阴极催化剂层中产生的水；

③水的电渗透和反向扩散。

表2国外典型燃料电池汽车参数

图1 在正常、膜淹和膜干条件下燃料电池的极化曲线[8]

1.2 热管理

燃料电池发动机的工作温度低时，电池内各种极化增强，欧姆阻抗也较大，电池性能较差；温度升高时，会降低各种极化和欧姆阻抗，电池性能提高，但温度过高会导致膜脱水，使电导率下降，电池性能降低[9]。其工作温度为范围一般为60-90℃，与燃油发动机的热管理系统设计要求相比，燃料电池更为苛刻。

表1 燃料电池与燃油发动机热量对比[10]

燃料电池排气的温度约70℃，远远低于汽油发动机排气温度，只能带走大概3%左右的热量。辐射带走的热量在燃料电池和汽油发动机中的占比都很小。燃料电池95%热量都需要通过冷却系统带走，并且需要增加另外的低温散热器对电堆控制器进行冷却，因此，燃料电池汽车中的热管理的设计要求更高。

在设计燃料电池热管理系统时，应考虑以下几点[10]：

①更大的散热器。如果一个散热器太大而无法布置，可以分成两个或多个散热器。

②冷凝器不应放在散热器前。冷凝器中的空气被加热到较高的温度，会影响后面散热器的热交换。

③风机应布置在散热器后面，有利于保持气流速度，便于带走热量。

④应保持足够的距离，以避免引起热量的聚集。

2 国外典型燃料电池汽车水、热管理系统

本文主要分析了款燃料电池汽车的水热管理系统，其整车参数如表2。

2.1 水管理系统方案

进气加湿分为外部加湿和内部自加湿两种方式。丰田公司开发了世界第一个自加湿燃料电池电堆。自加湿的实现主要是通过在阴极采用新开发的三维（3D）细网格流场，提高水和气体扩散的去除率；另一方面通过在阳极采用精密冲压工艺，在阳极正面形成氢气流动和背面形成冷却液流动相结合的精细通道流场。这种结构改善了每个单电池内的水平衡，仅利用反应生成的水实现自加湿[11]。其三维（3D）细网格结构如图2所示。

图2 丰田M irai新型三维精细网格流场结构[11]

这种肋下湍流增强结构和表面亲疏水性设计的三维细网格，有助于防止由于溢流造成的传递损失，使每个单电池表面产生的电流均匀，并减少单电池之间的电压变化。此外，可以优化单电池表面的三维精细网格流场结构，以减小进气湍流，防止质子交换膜的干燥。

图3 丰田M irai质子交换膜表面自增湿原理图[11]

本田Clarity燃料电池汽车采用的是外部加湿方法。

图4本田Clarity燃料电池汽车外部加湿系统原理图

本田Clarity燃料电池电堆内部的水管理的技术主要有：首先，通过减少气体流动通道的深度来减小电池厚度，使质子交换膜中的湿度均匀，并减少加湿量。其次，单电池内部结构由空气和氢气平行流动改变为气体反向流动。如图5所示，加湿空气向入口侧的质子交换膜提供水，生成的水向出口侧移动并供给质子交换膜，之后，通过质子交换膜渗透的水被反扩散到阳极侧，水被供应到氢入口，这使得反应界面上的水循环加强，并使质子交换膜内的水分布均匀[12]。