氫燃料電堆及冷卻系統在實際生產中應注意的問題

賈秀雷 高建路

摘 要：基于目前國內氫燃料電池技術還處于研究、引進和樣車試驗階段，沒有大批量的投入生產與應用，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一的、指導性的標準和意見，也沒有明確提出具體可參考的工藝方法和加注設備來完成批量性的生產任務，文章將根據我公司實際批量生產過程中，面臨的問題及解決措施做簡要闡述。

關鍵詞：氫燃料電池;冷卻液;技術參數;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“藍天保衛戰”[1]的重要戰略，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，這無疑是對相關車企的質量和技術等系統“硬件”的新一輪考驗，但在實際生產和使用過程中，也越來越發現，純電動車生產與銷售已出現短板：純電動汽車的短板是續駛里程和充電時間，尚不能滿足量大面廣的遠程公交、雙班出租、城市物流、長途運輸等市場需求;生產電池芯的原材（鈷）[2]主要靠進口，需求越大，進價越高，汽車生產企業明顯感到原材料成本的壓力，造成整車利潤的降低，生產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，國家及時把產業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、續航里程在500公里以內、加注時間快的特點，由于氫燃料電池車的排放產物只有水，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。

中國氫能聯盟理事長、國家能源集團總經理凌文介紹，未來氫能將在小汽車、軌道交通、船舶、航天、物流系統、礦用車等領域廣泛應用。以乘用車為例，到2030年，將發展100萬輛燃料電池車，在建加氫站1000座;到2050年，氫燃料電池車和發電均實現大規模應用。根據《能源技術革命創新行動計劃（2016-2030年）》，氫能與燃料電池技術創新是重點任務之一。

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

1 氫燃料電堆與車輛的連接與使用

氫燃料電堆[4]產生的高壓電經調整、轉換、整理后，一部分儲存在高壓蓄能電池內，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組成

氫燃料電堆通過氫燃料與單極板、雙極板[5]、電解質、擴散層、膜電極、催化劑[6]等發生一系列的電化學反應直接產生電能，相當于一個小型發電裝置。圍繞著其主要功能，還包括其它總成：儲存氫氣的儲氫罐;冷卻電堆系統的散熱器及冷卻液，還有與冷卻液管路中串聯的冷卻液去離子罐;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

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

由于質子交換膜[7]對溫度非常敏感、同時燃料電池排氣溫度較低，與傳統汽車對比與環境的溫差小，因此對散熱系循環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，一般要求在規定值±1℃范圍內，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，而對于傳統發動機[8]而言這個數值只有 50%左右，由此可見燃料電池發動機通過冷卻系統的散熱量相對較高。這些問題需要冷卻液來解決，冷卻液的選擇、管路清洗、加注對整個系統的有效輸出提供支持。

4 冷卻液技術參數

冷卻液在整個系統中工作流程中起到很重要的作用，其相關技術參數，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率（Conductivity）<5μS/ cm，但在實際應用中要求未裝車之前電導率<2μS/ cm。因為電堆及散熱器、管路等雖然經過清洗，但也可能要析出部分離子。現在了解的兩種冷卻液未裝車前都能達到電導率<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，當然現在現在各廠家有微小區如巴斯夫它含有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，它選擇的非離子型抑制劑具有非常低的、長期穩定的導電性，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。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部循環。并不斷測試去離子水電導率，如果一次清洗達不到電導率<5μS/ cm的要求，需要放掉第一次的去離子水再加注新水，此種方式不斷循環直至達到要求。

5.2 冷卻液加注

因電堆內部結構為雙極板結構，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，當水泵加注壓力大于此數據時，管路系統壓力將自動減小，使之達到符全要求的壓力。

5.3 因現在國內無相關標準加注設備及配置

我們根據實際加注工作經驗總結了以下幾點：

（1）加注機（水泵）型號的選擇標準是根據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，以減少泵內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）之間串聯一臺電控閥，實現通電時閥門打開，斷電時閥關閉，1個開關同時控制著電控閥與加注機（泵）。如圖3所示。

（2）加注前對加注設備管路內部用去離子水進行清洗，多次清洗直至去離子水的電導率<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無氣泡出現為止。

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 結論

通過本次批量氫燃料電池車輛的生產，采用了上述的加注方法，經檢測和2次完成充放氫氣循環的路試，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。

此生產工藝的實現，為以后大批量生產及同行業的推廣使用打下良好的基礎。

參考文獻

[1] 國家政策.打贏藍天保衛戰三年行動計劃[J].天津冶金，2018（12）： 1-15.

[2] 巴紅飛，段景文，陳普，許永權.剛果（金）某銅鈷酸浸渣選礦工藝研究[J].有色金屬（選礦部分），2018（12）：53.

[3] 馮丹，胡利明，宗營.氫能燃料電池發展關鍵路徑分析[J].化工時刊， 2018（12）：36-38.

[4] 裴馮來.典型30kW級質子交換膜燃料電池發動機性能測評對比研究[J].儲能科學與技術，2018（7）：519-523.

[5] 花仕洋，徐增師，余罡，彭恩高.膨脹石墨在燃料電池雙極板中的應用綜述[J].船電技術，2018（6）：11-16.

[6] 孫一凡.汽車催化劑研究進展[J].中國科技縱橫，2018（12）：228-229.

[7] 劉波，趙鋒，李驍.質子交換膜燃料電池熱管理技術的進展[J].電池， 2018（12）：202-205.

[8] 衛東.傳統發動機節能有潛力專訪豐田發動機領域的渡邊泉部長和脅屋努主干[J].汽車與運動，2018（4）：114-115.