車用燃料電池系統介質循環模塊研究

王克勇，孫貴政，侯中軍

(上海捷氫科技股份有限公司，上海 201804)

國家“雙碳”(碳達峰、碳中和)政策的逐步實行，給汽車行業帶來了深刻的變革，其中一個重大的影響是減少溫室氣體CO2的排放，這使得汽車動力系統電動化成為必然趨勢。汽車動力系統的電動化總的來說有兩條技術路線，即使用高能量密度鋰離子電池和使用質子交換膜燃料電池，二者都可達到整車零排放的要求。燃料電池是一種通過氫氣和氧氣發生電化學反應的能量轉化裝置，具有燃料加注快和功率密度高等優點，在重卡或遠程公交上有著較好的應用前景。為加快我國燃料電池車的商業化推廣，中國汽車工程學會于2020年發布了《節能與新能源汽車路線圖2.0》，提出我國未來10年要繼續大力發展燃料電池車，預計發展規模達到百萬輛[1]。

車用燃料電池系統主要包括燃料電池堆、空氣系統、氫氣系統和冷卻系統等幾部分組成，目前大部分車用燃料電池輸入輸出接口管路、外部管路和水汽分離器等多個零件在實際運行中容易析出各種離子，導致燃料電池使用壽命降低，同時各零件之間相互獨立，導致零部件總成本相對較高，零部件間易發生密封問題。

針對上述問題，本文從低離子析出率、低吸水率、長期耐水/乙二醇老化性能和受力老化等方面進行了樹脂材料的深入研究，選擇了適合燃料電池系統耐久應用的樹脂材料，并基于該樹脂開發了車用燃料電池系統介質循環模塊，實現車用燃料電池輸入輸出接口、外部管路和水汽分離器等多個零件集成。該零部件已成功應用于捷氫科技第四代車用燃料電池系統，保證了燃料電池耐久性，同時降低相關零件總成本約60%。

1 介質循環模塊材料研究

1.1 材料離子析出研究

燃料電池在工作中，其催化劑可能受到雜質離子(如Cl-、S2-、SO42-)的攻擊，導致燃料電池系統的催化劑氧化和碳材料降解等現象[2]，更嚴重的有可能導致反極現象[3]，造成燃料電池系統的不可逆損傷。氫氣經過陽極Pt/C 催化劑分離成氫質子，氫質子向陰極的遷移受到兩種作用機理主導，一是擴散機理，二是與磺酸根結合，進行跳躍式遷移[4]。質子交換膜全氟結構提供了必要的耐化學腐蝕性及優異的電化學穩定性，而磺酸根起到了氫質子搬運的作用，如果氟磺酸膜中的磺酸根受陽離子(如Al3+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cr3+、Na+)污染，會直接導致膜電導率大幅度下降，導致燃料電池堆的性能受到極大的影響[5]。

因此，為確保燃料電池堆的耐久性，介質循環模塊材料的選擇必須遵循低離子析出率。針對此需要，選擇了PPS 40%GF、PPS 30%GF、PA66 GF30、PA6 GF30 和PA6 等5 種材料，在95 ℃去離子水中進行了1 000 h 的加速離子析出對比浸泡測試，并測量浸泡后去離子水在23 ℃時的電導率。PPS 40%GF、PPS 30%GF、PA66 GF30、PA6 GF30 和PA6 的去離子水電導率分別為9、31、150、182 和101 μS/cm。可以看出PPS 40%GF 離子析出速率最低，僅為常用材料PA66 GF30 的6%，其在離子析出速率方面適宜用作介質循環模塊的材料。

1.2 材料耐水/乙二醇研究

燃料電池系統需要同時傳輸空氣、氫氣和冷卻液三種媒介，所以介質循環模塊大部分時間工作在60～90 ℃溫度范圍內，其中空氣和氫氣中含有一定量的水蒸氣或液態水，冷卻液中含有一定比例的去離子水和乙二醇，對介質循環模塊材料的耐水解性能也提出了非常大的挑戰，必須保證材料具有低吸水率和長期耐水/乙二醇老化性能。針對此需要，選擇PPS 40%GF 和PA66 30%GF 兩種材料，在135 ℃水/乙二醇(1∶1)中進行了加速老化實驗，其拉伸性能變化對比如圖1 所示。從圖1 中可以看出，PPS 40%GF 與PA66 30%GF 相比，PPS 40%GF 具有良好的在水/乙二醇(1∶1)中的抗老化性能，經加速實驗后拉伸性能降低小于5%，而PA66 30%GF 經加速實驗后拉伸性能降低大于85%，因此PPS 40%GF 在低吸水率和長期耐水/乙二醇老化性能方面適宜用作介質循環模塊材料。

圖1 PPS 40%GF和PA66 30%GF在水/乙二醇(1∶1)中的老化實驗

1.3 材料受力老化研究

介質循環模塊除了需要保證良好的低離子析出率、低吸水率和長期耐水/乙二醇老化性能外，還需要保證長期受力老化性能。本文選取PPS 40%GF 材料三種結構的受力老化測試樣件：平的樣件，帶焊接線的樣件，帶凹口的樣件。分別對上述樣件進行了135 ℃水/乙二醇(1∶1)3 000 h 的加速老化實驗，然后在23 ℃的環境下進行了各種組合的疲勞曲線測試[6]，測試結果如圖2 所示。從圖2 中可以看出，在最苛刻的條件下(測試樣件帶熔接線，并且熔接線處帶缺口造成應力集中)，其材料的疲勞強度超過50 MPa。

圖2 PPS 40%GF老化測試樣件疲勞性能

2 介質循環模塊結構設計研究

2.1 介質循環模塊集成空間布置研究

車用燃料電池系統一般由燃料電池堆、空氣子系統、氫氣子系統和冷卻系統等幾部分組成。空氣子系統的運行原理是空氣經過空濾、空壓機、進氣節氣門和中冷器后進入電堆，在電堆內部發生化學反應后，流出電堆經背壓閥排出。氫氣子系統的運行原理是氫氣從高壓氫瓶經過減壓閥、氫噴射器后進入電堆，在電堆內部發生化學反應后，反應后剩余的氫氣經過水汽分離器(以下簡稱分水器)后，一大部分經過循環泵加壓后重新進入電堆反應，另一小部分從排氫閥直接排出。冷卻子系統的運行原理是冷卻液經水泵、去離子器、電堆、散熱風扇不斷循環流動，把反應產生的熱量帶走，保持電堆工作在合適的溫度范圍內，同時有一部分流過中冷器對進入電堆的空氣進行冷卻，目的是保證進入燃料電池內部的空氣溫度控制在合理的范圍內。為達到上述功能，燃料電池堆需要通過氣體/液體輸入輸出接口、外部流道和分水器等多個零件與系統零部件相連，具體零部件如圖3 所示。

圖3 燃料電池堆主要接口零部件

介質循環模塊的主要功能是將空氣進出口接頭、氫氣進出口接頭、冷卻液進出口接頭、分水器和燃料電池堆端板等零部件集成在一起，同時安裝固定系統的主要零部件，包括供氫組件、安全閥、氫入壓力傳感器、排氫閥、組合閥、背壓閥、空入壓力傳感器、空入溫度傳感器、水入壓力傳感器和水出溫度傳感器。該方案可以實現系統零部件的高度集成，減少系統的體積和質量，降低零部件總體成本，同時減少密封面，提升系統的可靠性，其示意圖如圖4 所示。

圖4 介質循環模塊示意圖

2.2 介質循環模塊內部流道流阻分析

對介質循環模塊來說，流道是介質循環的路徑，流道的流阻不能超過系統給出的限值，而且流道入口和出口的形狀和尺寸都必須與相應的零件對配，因此先設計流道的形狀和接口尺寸。流道設計的步驟如下：

(1)確定流道入口和出口對配的零件接口尺寸，得出流道的出入口尺寸。

(2)根據系統總布置要求，確定流道出入口的位置和方向。

(3)根據流阻最小原則，設計流道的內部形狀，在空間限值范圍內流道直徑盡量大，彎曲流道內壁盡量平滑過渡，避免流道直徑突變。

(4)流道設計完成后，使用軟件進行流阻仿真，確認流阻滿足要求。

以冷卻液出口流道的設計為例，首次設計的流道流阻仿真結果如圖5 所示。使用軟件進行流阻仿真得出的流阻是56 kPa，超過系統要求的15 kPa，因此對流道進行了設計優化，內部進行了圓滑處理，使冷卻液流動更順暢，減少渦流，如圖6所示，再次仿真后的流阻減少到12.5 kPa，符合系統要求。

圖5 首次設計的流道流阻仿真結果

圖6 優化后的流道流阻仿真結果

2.3 介質循環模塊受力仿真分析

2.3.1 外部受力仿真

考慮到介質循環模塊上安裝了多個零件，零件總重超過10 kg，強度需滿足X方向最大加速度25 g、Y方向最大加速度15 g 和Z方向最大加速度7 g 的沖擊要求，使用仿真軟件進行仿真后的結果如圖7 所示，零件承受的最大內應力為3.3 MPa，遠小于PPS 40%GF 材料最大斷裂拉伸強度50 MPa，因此模塊的結構設計是安全的。

圖7 模塊外部受力仿真結果

2.3.2 內部受力仿真

考慮到模塊內部流道承受氫氣最大壓力達0.3 MPa，從氫氣安全的角度，需要對流道的受力情況進行仿真，校核流道的結構設計是否安全。使用仿真軟件對氫氣流道進行了受力仿真，仿真結果如圖8 所示，得出零件內部最大應力為33 MPa，小于PPS 40%GF 材料的斷裂拉伸強度50 MPa，因此模塊在受到內部壓力時結構強度也是安全的。

圖8 模塊內部受力仿真結果

3 介質循環模塊實驗驗證

3.1 隔離實驗

此樣品的測試項目分為基本性能實驗、機械類實驗、環境類實驗三部分。基本性能實驗包括尺寸測試、絕緣測試、高低溫氣密性測試等，機械實驗包括振動沖擊實驗、壓力交變實驗等，環境類實驗包括溫度沖擊、鹽霧實驗等。

以振動沖擊實驗為例，模塊按照系統實際安裝姿態固定在工裝上，并且模塊上固定了系統上真實的零件，如組合閥、背壓閥、供氫組件、傳感器等，如圖9 所示。在振動實驗結束后使用氦氣介質復測了模塊的高低溫氣密性，對模塊內部充入0.3 MPa 的氦氣，測得泄漏量為6.8 mL/h，符合設計要求。

圖9 介質循環模塊隔離實驗

3.2 系統實驗

此介質循環模塊搭載在捷氫科技第四代燃料電池系統上，如圖10 所示。該系統進行了高溫低溫環境、IP67、振動、沖擊和耐久實驗，運行穩定，無任何故障，證明此模塊設計的有效性。

圖10 搭載介質循環模塊的燃料電池系統

4 結語

本文從低離子析出率、低吸水率、長期耐水/乙二醇老化性能和受力老化等方面進行了樹脂材料的深入研究，選擇了適合燃料電池系統耐久應用的樹脂材料，并基于該樹脂開發了車用燃料電池系統介質循環模塊，實現車用燃料電池輸入輸出接口、外部管路和水汽分離器等多個零件集成。該零部件已成功應用于捷氫科技第四代車用燃料電池系統，保證了燃料電池耐久性，同時降低相關零件總成本約60%。自2021 年5月交付以來，該介質循環模塊在系統上運行了超過3 000 h，各項性能良好，支持了系統各項實驗順利進行，證明了該方案的有效性。