車用燃料電池發動機水熱管理系統探討＊

夏全剛

（1.上海燃銳新能源汽車技術有限公司，上海 201805；

2.浙江清華長三角研究院氫燃料電池汽車技術研究中心，浙江 嘉興 314000）

前言

近年來環境污染日益加重，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汽車的一個重要分支，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銷售，國內外諸多研究人員[1-3]的深入研究[4-5]，我國也正式由實驗室研究階段轉向產業化階段[6]，其燃料電池發動機與鋰電池相比，具有低溫啟動性好、壽命長、重量輕、續駛里程長、加氫時間短、對環境無污染等特點，大規模的氫資源，燃料電池發動機發展潛力巨大。

燃料電池發動機的另一個優勢是，在一定溫度、濕度與壓力的環境下，將空氣中的氧氣與燃料在催化劑的催化作用下，產生電能的系統。其核心，電堆是由一片片的單電池并聯而成，而每一片單電池是由雙極板與 MEA（membrane electrode assembly）組成?？諝庀到y需要一定的增壓與加濕裝置，在電堆雙極板的陰極側參加反應；氫氣一般存貯在高壓氣瓶中，氫氣系統需要一定的減壓與加濕系統，在電堆雙極板的陽極側參與反應；反應中產生的熱，通過冷卻系統的散熱器總成將其熱量帶走，保證整個系統在最佳的工況運行。為了保證系統的整體運行平穩，系統中采取一定的輔助手段，比如低溫啟動采用輔助電加熱器，電堆中 MEA（membrane electrode assembly）的水淹現象采用一定時間的吹掃，陰陽極壓差超高采用一定穩壓控制策略，氫、空系統采用一定的閉環等，從而延長發動機的使用壽命，保證系統可靠平穩運行。

1 燃料電池發動機水熱管理的概念

本文以某款30KW系統為研究范圍，燃料電池發動機是整個汽車動力系統的心臟[7]，主要包括空氣子系統、氫氣子系統、水熱管理子系統和控制子系統。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；空氣子系統包括空氣濾清器、流量計、空壓機、膜加濕器、電磁三通閥、節氣門等零部件；氫氣子系統包括氫進電磁閥、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；控制子系統包括控制模塊FCU（Fuel control unit）、線束總成等零部件。其系統模塊化集成結構如圖1所示。本文主要針對水熱管理子系統進行一定的探討與分析。

圖1 燃料電池發動機軸側圖

2 水熱管理系統的計算與分析

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

圖2 水熱管理系統工作原理圖

此款30KW系統設計要求如下：

1）設計環境溫度：40 ℃

2）FCE設計散熱量為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的最為核心部件，其功能是在燃料電池系統電堆在不同工況工作時，通過控制器FCU采集一定的傳感器信號，時時滿足電堆的流量、壓力、溫度要求。

以電堆所要求的最大散熱量37 kW來進行FCE水泵性能匹配計算，FCE水泵最大流量應為：

選擇內徑為φ32mm的塑膠管，水路中冷卻水流速根據公式：

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

電磁三通閥根據冷卻水溫度、流量及壓力通過一定的控制程序自動調節進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工作，可起到節約能耗等作用。此款30KW系統最佳的電堆入口溫度為 73℃，通過電磁三通閥的調節作用保證出口的溫度不超過81℃，使系統在最佳的工況下運行。

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，使系統更加簡便。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，抑制水熱系統導電性等功能。

2.4 其余部件

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

水熱管理系統中每個部件相輔相成，通過水泵的調速運行保證系統的流量與壓力滿足需求；通過電磁三通閥與電加熱的調節，保證系統以最快的速度升溫到系統最佳的工作溫度；散熱器總成通過調節風扇的轉速，保證系統最佳運行溫度的穩定性；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部的銹蝕，盡可能的保證系統在離子濃度≤5μs/cm的環境下運行。

3 水熱管理系統的失效分析

該款30KW系統安裝在某款大巴車上，經過長達兩年的實車測試與驗證，噪音小、運行平穩，但最后發現系統電堆中的單體電壓下降了很多，經過理論與實踐分析，發現系統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

在整車運行時，采用了去離子水溶液進行系統冷卻，發現去離子水溶液在運行一段時間后存在一定的渾濁現象，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，具體如圖3所示。采用紅外光譜做進一步的定性分析可知，不同種類的物質以含有硅的有機物為主，具體結果如圖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的屬性及比例，進一步通過紅外光譜做定量分析，發現里面含有CaCO3、SiO2、Al2O3、SiO2、Fe、Cu、Ag、Sn、PbF2，如圖 5所示。通過對系統不同部件的分析，發現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。不同物質的析出最終會導致電堆的失效，系統的停機。具體結果如表1所示。

表1 參數表

3.2 其余部件失效分析

通過對系統的進一步拆解，我們發現諸多部件已經出現了嚴重的銹蝕與結垢現象，為水熱管理系統的優化，提供了一定的借鑒與參考，如圖6、圖7、圖8所示。圖7是系統的某根管路，出現了嚴重的結垢，大量的硅化物析出，其原因是管路壁面選用材質與處理工藝不符合要求；圖8、圖9是系統的某水泵與傳感器，出現了嚴重的銹蝕，其原因是選用的材質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 結束語

本文從水熱管理系統的角度進行了一定的匹配計算與失效分析，從宏觀與微觀方向，對部分失效部件進行一定的定量與定性分析，并提出了部分解決方案。為科研及工程技術人員進一步優化系統工藝提供了一定的參考意義。