夏全剛

（1.上海燃銳新能源汽車(chē)技術(shù)有限公司，上海 201805；

2.浙江清華長(zhǎng)三角研究院氫燃料電池汽車(chē)技術(shù)研究中心，浙江 嘉興 314000）

前言

近年來(lái)環(huán)境污染日益加重，為減少污染，新能源車(chē)越來(lái)越普及，而氫能汽車(chē)是很好的方向。燃料電池汽車(chē)是電動(dòng)汽車(chē)的一個(gè)重要分支，隨著 2015年日本豐田的燃料電池車(chē)MIRAI開(kāi)始在日本及北美市場(chǎng)銷(xiāo)售，國(guó)內(nèi)外諸多研究人員[1-3]的深入研究[4-5]，我國(guó)也正式由實(shí)驗(yàn)室研究階段轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化階段[6]，其燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)與鋰電池相比，具有低溫啟動(dòng)性好、壽命長(zhǎng)、重量輕、續(xù)駛里程長(zhǎng)、加氫時(shí)間短、對(duì)環(huán)境無(wú)污染等特點(diǎn)，大規(guī)模的氫資源，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是，在一定溫度、濕度與壓力的環(huán)境下，將空氣中的氧氣與燃料在催化劑的催化作用下，產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。其核心，電堆是由一片片的單電池并聯(lián)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(tǒng)需要一定的增壓與加濕裝置，在電堆雙極板的陰極側(cè)參加反應(yīng)；氫氣一般存貯在高壓氣瓶中，氫氣系統(tǒng)需要一定的減壓與加濕系統(tǒng)，在電堆雙極板的陽(yáng)極側(cè)參與反應(yīng)；反應(yīng)中產(chǎn)生的熱，通過(guò)冷卻系統(tǒng)的散熱器總成將其熱量帶走，保證整個(gè)系統(tǒng)在最佳的工況運(yùn)行。為了保證系統(tǒng)的整體運(yùn)行平穩(wěn)，系統(tǒng)中采取一定的輔助手段，比如低溫啟動(dòng)采用輔助電加熱器，電堆中 MEA（membrane electrode assembly）的水淹現(xiàn)象采用一定時(shí)間的吹掃，陰陽(yáng)極壓差超高采用一定穩(wěn)壓控制策略，氫、空系統(tǒng)采用一定的閉環(huán)等，從而延長(zhǎng)發(fā)動(dòng)機(jī)的使用壽命，保證系統(tǒng)可靠平穩(wěn)運(yùn)行。

1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)水熱管理的概念

本文以某款30KW系統(tǒng)為研究范圍，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的心臟[7]，主要包括空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)和控制子系統(tǒng)。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(tǒng)包括空氣濾清器、流量計(jì)、空壓機(jī)、膜加濕器、電磁三通閥、節(jié)氣門(mén)等零部件；氫氣子系統(tǒng)包括氫進(jìn)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(tǒng)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(tǒng)包括控制模塊FCU（Fuel control unit）、線(xiàn)束總成等零部件。其系統(tǒng)模塊化集成結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文主要針對(duì)水熱管理子系統(tǒng)進(jìn)行一定的探討與分析。

圖1 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)軸側(cè)圖

2 水熱管理系統(tǒng)的計(jì)算與分析

水熱管理系統(tǒng)包括FCE（fuel cell energy）冷卻系統(tǒng)以及輔助冷卻系統(tǒng)，本文以FCE冷卻系統(tǒng)為例來(lái)進(jìn)行一定的匹配計(jì)算。其工作原理圖如圖2所示：

圖2 水熱管理系統(tǒng)工作原理圖

此款30KW系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求如下：

1）設(shè)計(jì)環(huán)境溫度：40 ℃

2）FCE設(shè)計(jì)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(mǎn)足電堆需求≤2 bara（絕壓）

水泵是燃料電池冷卻系統(tǒng)的最為核心部件，其功能是在燃料電池系統(tǒng)電堆在不同工況工作時(shí)，通過(guò)控制器FCU采集一定的傳感器信號(hào)，時(shí)時(shí)滿(mǎn)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(lái)進(jìn)行FCE水泵性能匹配計(jì)算，F(xiàn)CE水泵最大流量應(yīng)為：

選擇內(nèi)徑為φ32mm的塑膠管，水路中冷卻水流速根據(jù)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(jù)冷卻水溫度、流量及壓力通過(guò)一定的控制程序自動(dòng)調(diào)節(jié)進(jìn)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(nèi)工作，可起到節(jié)約能耗等作用。此款30KW系統(tǒng)最佳的電堆入口溫度為 73℃，通過(guò)電磁三通閥的調(diào)節(jié)作用保證出口的溫度不超過(guò)81℃，使系統(tǒng)在最佳的工況下運(yùn)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(mǎn)足一定容積的水箱集成所得，解決了去離子器阻力大的問(wèn)題，使系統(tǒng)更加簡(jiǎn)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(tǒng)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(tǒng)導(dǎo)電性等功能。

2.4 其余部件

電加熱器和散熱器總成在傳統(tǒng)燃油車(chē)和鋰電池新能源車(chē)中使用已相對(duì)比較成熟。電加熱器保證系統(tǒng)低溫啟動(dòng)的正常運(yùn)行；而散熱器總成則保證系統(tǒng)在最佳的工作溫度下運(yùn)行。

水熱管理系統(tǒng)中每個(gè)部件相輔相成，通過(guò)水泵的調(diào)速運(yùn)行保證系統(tǒng)的流量與壓力滿(mǎn)足需求；通過(guò)電磁三通閥與電加熱的調(diào)節(jié)，保證系統(tǒng)以最快的速度升溫到系統(tǒng)最佳的工作溫度；散熱器總成通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速，保證系統(tǒng)最佳運(yùn)行溫度的穩(wěn)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(nèi)部的銹蝕，盡可能的保證系統(tǒng)在離子濃度≤5μs/cm的環(huán)境下運(yùn)行。

3 水熱管理系統(tǒng)的失效分析

該款30KW系統(tǒng)安裝在某款大巴車(chē)上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)兩年的實(shí)車(chē)測(cè)試與驗(yàn)證，噪音小、運(yùn)行平穩(wěn)，但最后發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)電堆中的單體電壓下降了很多，經(jīng)過(guò)理論與實(shí)踐分析，發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)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(chē)運(yùn)行時(shí)，采用了去離子水溶液進(jìn)行系統(tǒng)冷卻，發(fā)現(xiàn)去離子水溶液在運(yùn)行一段時(shí)間后存在一定的渾濁現(xiàn)象，通過(guò)不同倍率的電鏡掃掠可知，去離子水溶液中多了不同種類(lèi)的物質(zhì)，具體如圖3所示。采用紅外光譜做進(jìn)一步的定性分析可知，不同種類(lèi)的物質(zhì)以含有硅的有機(jī)物為主，具體結(jié)果如圖4所示。

圖3 電鏡掃略圖

圖4 紅外光譜分析曲線(xiàn)圖(a)

圖5 紅外光譜分析圖(b)

為確保不同種類(lèi)物質(zhì)的屬性及比例，進(jìn)一步通過(guò)紅外光譜做定量分析，發(fā)現(xiàn)里面含有CaCO3、SiO2、Al2O3、SiO2、Fe、Cu、Ag、Sn、PbF2，如圖 5所示。通過(guò)對(duì)系統(tǒng)不同部件的分析，發(fā)現(xiàn)硅化物的存在可能是塑膠管的問(wèn)題；鋁化物的存在可能是散熱器、電加熱器或水泵的問(wèn)題；鐵、銅或銀的存在可能是管路接頭或傳感器的問(wèn)題；鈣化物的存在可能是MEA和雙極板的問(wèn)題。不同物質(zhì)的析出最終會(huì)導(dǎo)致電堆的失效，系統(tǒng)的停機(jī)。具體結(jié)果如表1所示。

表1 參數(shù)表

3.2 其余部件失效分析

通過(guò)對(duì)系統(tǒng)的進(jìn)一步拆解，我們發(fā)現(xiàn)諸多部件已經(jīng)出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕與結(jié)垢現(xiàn)象，為水熱管理系統(tǒng)的優(yōu)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(tǒng)的某根管路，出現(xiàn)了嚴(yán)重的結(jié)垢，大量的硅化物析出，其原因是管路壁面選用材質(zhì)與處理工藝不符合要求；圖8、圖9是系統(tǒng)的某水泵與傳感器，出現(xiàn)了嚴(yán)重的銹蝕，其原因是選用的材質(zhì)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(jié)束語(yǔ)

本文從水熱管理系統(tǒng)的角度進(jìn)行了一定的匹配計(jì)算與失效分析，從宏觀(guān)與微觀(guān)方向，對(duì)部分失效部件進(jìn)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(shù)人員進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)工藝提供了一定的參考意義。