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(guó)家“雙碳”(碳達(dá)峰、碳中和)政策的逐步實(shí)行，給汽車(chē)行業(yè)帶來(lái)了深刻的變革，其中一個(gè)重大的影響是減少溫室氣體CO2的排放，這使得汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)電動(dòng)化成為必然趨勢(shì)。汽車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的電動(dòng)化總的來(lái)說(shuō)有兩條技術(shù)路線，即使用高能量密度鋰離子電池和使用質(zhì)子交換膜燃料電池，二者都可達(dá)到整車(chē)零排放的要求。燃料電池是一種通過(guò)氫氣和氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的能量轉(zhuǎn)化裝置，具有燃料加注快和功率密度高等優(yōu)點(diǎn)，在重卡或遠(yuǎn)程公交上有著較好的應(yīng)用前景。為加快我國(guó)燃料電池車(chē)的商業(yè)化推廣，中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)于2020年發(fā)布了《節(jié)能與新能源汽車(chē)路線圖2.0》，提出我國(guó)未來(lái)10年要繼續(xù)大力發(fā)展燃料電池車(chē)，預(yù)計(jì)發(fā)展規(guī)模達(dá)到百萬(wàn)輛[1]。

車(chē)用燃料電池系統(tǒng)主要包括燃料電池堆、空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等幾部分組成，目前大部分車(chē)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(gè)零件在實(shí)際運(yùn)行中容易析出各種離子，導(dǎo)致燃料電池使用壽命降低，同時(shí)各零件之間相互獨(dú)立，導(dǎo)致零部件總成本相對(duì)較高，零部件間易發(fā)生密封問(wèn)題。

針對(duì)上述問(wèn)題，本文從低離子析出率、低吸水率、長(zhǎng)期耐水/乙二醇老化性能和受力老化等方面進(jìn)行了樹(shù)脂材料的深入研究，選擇了適合燃料電池系統(tǒng)耐久應(yīng)用的樹(shù)脂材料，并基于該樹(shù)脂開(kāi)發(fā)了車(chē)用燃料電池系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)模塊，實(shí)現(xiàn)車(chē)用燃料電池輸入輸出接口、外部管路和水汽分離器等多個(gè)零件集成。該零部件已成功應(yīng)用于捷氫科技第四代車(chē)用燃料電池系統(tǒng)，保證了燃料電池耐久性，同時(shí)降低相關(guān)零件總成本約60%。

1 介質(zhì)循環(huán)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(zhì)離子(如Cl-、S2-、SO42-)的攻擊，導(dǎo)致燃料電池系統(tǒng)的催化劑氧化和碳材料降解等現(xiàn)象[2]，更嚴(yán)重的有可能導(dǎo)致反極現(xiàn)象[3]，造成燃料電池系統(tǒng)的不可逆損傷。氫氣經(jīng)過(guò)陽(yáng)極Pt/C 催化劑分離成氫質(zhì)子，氫質(zhì)子向陰極的遷移受到兩種作用機(jī)理主導(dǎo)，一是擴(kuò)散機(jī)理，二是與磺酸根結(jié)合，進(jìn)行跳躍式遷移[4]。質(zhì)子交換膜全氟結(jié)構(gòu)提供了必要的耐化學(xué)腐蝕性及優(yōu)異的電化學(xué)穩(wěn)定性，而磺酸根起到了氫質(zhì)子搬運(yùn)的作用，如果氟磺酸膜中的磺酸根受陽(yáng)離子(如Al3+、Ca2+、Mg2+、Fe2+、Cr3+、Na+)污染，會(huì)直接導(dǎo)致膜電導(dǎo)率大幅度下降，導(dǎo)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(zhì)循環(huán)模塊材料的選擇必須遵循低離子析出率。針對(duì)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(jìn)行了1 000 h 的加速離子析出對(duì)比浸泡測(cè)試，并測(cè)量浸泡后去離子水在23 ℃時(shí)的電導(dǎo)率。PPS 40%GF、PPS 30%GF、PA66 GF30、PA6 GF30 和PA6 的去離子水電導(dǎo)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(zhì)循環(huán)模塊的材料。

1.2 材料耐水/乙二醇研究

燃料電池系統(tǒng)需要同時(shí)傳輸空氣、氫氣和冷卻液三種媒介，所以介質(zhì)循環(huán)模塊大部分時(shí)間工作在60～90 ℃溫度范圍內(nèi)，其中空氣和氫氣中含有一定量的水蒸氣或液態(tài)水，冷卻液中含有一定比例的去離子水和乙二醇，對(duì)介質(zhì)循環(huán)模塊材料的耐水解性能也提出了非常大的挑戰(zhàn)，必須保證材料具有低吸水率和長(zhǎng)期耐水/乙二醇老化性能。針對(duì)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(jìn)行了加速老化實(shí)驗(yàn)，其拉伸性能變化對(duì)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(jīng)加速實(shí)驗(yàn)后拉伸性能降低小于5%，而PA66 30%GF 經(jīng)加速實(shí)驗(yàn)后拉伸性能降低大于85%，因此PPS 40%GF 在低吸水率和長(zhǎng)期耐水/乙二醇老化性能方面適宜用作介質(zhì)循環(huán)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(shí)驗(yàn)

1.3 材料受力老化研究

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

圖2 PPS 40%GF老化測(cè)試樣件疲勞性能

2 介質(zhì)循環(huán)模塊結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)研究

2.1 介質(zhì)循環(huán)模塊集成空間布置研究

車(chē)用燃料電池系統(tǒng)一般由燃料電池堆、空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)等幾部分組成。空氣子系統(tǒng)的運(yùn)行原理是空氣經(jīng)過(guò)空濾、空壓機(jī)、進(jìn)氣節(jié)氣門(mén)和中冷器后進(jìn)入電堆，在電堆內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，流出電堆經(jīng)背壓閥排出。氫氣子系統(tǒng)的運(yùn)行原理是氫氣從高壓氫瓶經(jīng)過(guò)減壓閥、氫噴射器后進(jìn)入電堆，在電堆內(nèi)部發(fā)生化學(xué)反應(yīng)后，反應(yīng)后剩余的氫氣經(jīng)過(guò)水汽分離器(以下簡(jiǎn)稱(chēng)分水器)后，一大部分經(jīng)過(guò)循環(huán)泵加壓后重新進(jìn)入電堆反應(yīng)，另一小部分從排氫閥直接排出。冷卻子系統(tǒng)的運(yùn)行原理是冷卻液經(jīng)水泵、去離子器、電堆、散熱風(fēng)扇不斷循環(huán)流動(dòng)，把反應(yīng)產(chǎn)生的熱量帶走，保持電堆工作在合適的溫度范圍內(nèi)，同時(shí)有一部分流過(guò)中冷器對(duì)進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行冷卻，目的是保證進(jìn)入燃料電池內(nèi)部的空氣溫度控制在合理的范圍內(nèi)。為達(dá)到上述功能，燃料電池堆需要通過(guò)氣體/液體輸入輸出接口、外部流道和分水器等多個(gè)零件與系統(tǒng)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(zhì)循環(huán)模塊的主要功能是將空氣進(jìn)出口接頭、氫氣進(jìn)出口接頭、冷卻液進(jìn)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(shí)安裝固定系統(tǒng)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)零部件的高度集成，減少系統(tǒng)的體積和質(zhì)量，降低零部件總體成本，同時(shí)減少密封面，提升系統(tǒng)的可靠性，其示意圖如圖4 所示。

圖4 介質(zhì)循環(huán)模塊示意圖

2.2 介質(zhì)循環(huán)模塊內(nèi)部流道流阻分析

對(duì)介質(zhì)循環(huán)模塊來(lái)說(shuō)，流道是介質(zhì)循環(huán)的路徑，流道的流阻不能超過(guò)系統(tǒng)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(yīng)的零件對(duì)配，因此先設(shè)計(jì)流道的形狀和接口尺寸。流道設(shè)計(jì)的步驟如下：

(1)確定流道入口和出口對(duì)配的零件接口尺寸，得出流道的出入口尺寸。

(2)根據(jù)系統(tǒng)總布置要求，確定流道出入口的位置和方向。

(3)根據(jù)流阻最小原則，設(shè)計(jì)流道的內(nèi)部形狀，在空間限值范圍內(nèi)流道直徑盡量大，彎曲流道內(nèi)壁盡量平滑過(guò)渡，避免流道直徑突變。

(4)流道設(shè)計(jì)完成后，使用軟件進(jìn)行流阻仿真，確認(rèn)流阻滿(mǎn)足要求。

以冷卻液出口流道的設(shè)計(jì)為例，首次設(shè)計(jì)的流道流阻仿真結(jié)果如圖5 所示。使用軟件進(jìn)行流阻仿真得出的流阻是56 kPa，超過(guò)系統(tǒng)要求的15 kPa，因此對(duì)流道進(jìn)行了設(shè)計(jì)優(yōu)化，內(nèi)部進(jìn)行了圓滑處理，使冷卻液流動(dòng)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(tǒng)要求。

圖5 首次設(shè)計(jì)的流道流阻仿真結(jié)果

圖6 優(yōu)化后的流道流阻仿真結(jié)果

2.3 介質(zhì)循環(huán)模塊受力仿真分析

2.3.1 外部受力仿真

考慮到介質(zhì)循環(huán)模塊上安裝了多個(gè)零件，零件總重超過(guò)10 kg，強(qiáng)度需滿(mǎn)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(jìn)行仿真后的結(jié)果如圖7 所示，零件承受的最大內(nèi)應(yīng)力為3.3 MPa，遠(yuǎn)小于PPS 40%GF 材料最大斷裂拉伸強(qiáng)度50 MPa，因此模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是安全的。

圖7 模塊外部受力仿真結(jié)果

2.3.2 內(nèi)部受力仿真

考慮到模塊內(nèi)部流道承受氫氣最大壓力達(dá)0.3 MPa，從氫氣安全的角度，需要對(duì)流道的受力情況進(jìn)行仿真，校核流道的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是否安全。使用仿真軟件對(duì)氫氣流道進(jìn)行了受力仿真，仿真結(jié)果如圖8 所示，得出零件內(nèi)部最大應(yīng)力為33 MPa，小于PPS 40%GF 材料的斷裂拉伸強(qiáng)度50 MPa，因此模塊在受到內(nèi)部壓力時(shí)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度也是安全的。

圖8 模塊內(nèi)部受力仿真結(jié)果

3 介質(zhì)循環(huán)模塊實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 隔離實(shí)驗(yàn)

此樣品的測(cè)試項(xiàng)目分為基本性能實(shí)驗(yàn)、機(jī)械類(lèi)實(shí)驗(yàn)、環(huán)境類(lèi)實(shí)驗(yàn)三部分。基本性能實(shí)驗(yàn)包括尺寸測(cè)試、絕緣測(cè)試、高低溫氣密性測(cè)試等，機(jī)械實(shí)驗(yàn)包括振動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)、壓力交變實(shí)驗(yàn)等，環(huán)境類(lèi)實(shí)驗(yàn)包括溫度沖擊、鹽霧實(shí)驗(yàn)等。

以振動(dòng)沖擊實(shí)驗(yàn)為例，模塊按照系統(tǒng)實(shí)際安裝姿態(tài)固定在工裝上，并且模塊上固定了系統(tǒng)上真實(shí)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(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)束后使用氦氣介質(zhì)復(fù)測(cè)了模塊的高低溫氣密性，對(duì)模塊內(nèi)部充入0.3 MPa 的氦氣，測(cè)得泄漏量為6.8 mL/h，符合設(shè)計(jì)要求。

圖9 介質(zhì)循環(huán)模塊隔離實(shí)驗(yàn)

3.2 系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

此介質(zhì)循環(huán)模塊搭載在捷氫科技第四代燃料電池系統(tǒng)上，如圖10 所示。該系統(tǒng)進(jìn)行了高溫低溫環(huán)境、IP67、振動(dòng)、沖擊和耐久實(shí)驗(yàn)，運(yùn)行穩(wěn)定，無(wú)任何故障，證明此模塊設(shè)計(jì)的有效性。

圖10 搭載介質(zhì)循環(huán)模塊的燃料電池系統(tǒng)

4 結(jié)語(yǔ)

本文從低離子析出率、低吸水率、長(zhǎng)期耐水/乙二醇老化性能和受力老化等方面進(jìn)行了樹(shù)脂材料的深入研究，選擇了適合燃料電池系統(tǒng)耐久應(yīng)用的樹(shù)脂材料，并基于該樹(shù)脂開(kāi)發(fā)了車(chē)用燃料電池系統(tǒng)介質(zhì)循環(huán)模塊，實(shí)現(xiàn)車(chē)用燃料電池輸入輸出接口、外部管路和水汽分離器等多個(gè)零件集成。該零部件已成功應(yīng)用于捷氫科技第四代車(chē)用燃料電池系統(tǒng)，保證了燃料電池耐久性，同時(shí)降低相關(guān)零件總成本約60%。自2021 年5月交付以來(lái)，該介質(zhì)循環(huán)模塊在系統(tǒng)上運(yùn)行了超過(guò)3 000 h，各項(xiàng)性能良好，支持了系統(tǒng)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)順利進(jìn)行，證明了該方案的有效性。