典型车载燃料电池系统原理和结构设计的研究
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来源 | 电动学堂
燃料电池汽车作为新能源汽车发展过程中的一项重要技术路线，因其零排放、加氢快、续航里程长的优点，被普遍认为是解决全球能源和环境问题的理想方案。
从国外燃料电池电动汽车发展历程可以看出，丰田、本田、现代、戴姆勒、通用等世界汽车行业龙头企业，已基本完成了燃料电池汽车的性能研发工作，整车性能已达到传统燃油汽车水平。根据国际自动机工程师学会(SocietyofAutomotiveEngineers，SAE)统计，国外车企如福特、丰田和本田均在燃料电池系统设计和开发上开展了大量的工作，并将部分成果以文献形式发布，如图1所示。
我国燃料电池汽车行业起步较晚，研发投入较高的上汽集团，已完成前后四代氢燃料电池轿车的开发，在氢能和燃料电池技术领域取得了较大进展。近期，财政部、工信部、科技部、发改委等部门联合发布了《关于完善新能源汽车推广应用财政补贴政策》的通知。通知指出，力争在4年内，围绕燃料电池汽车关键零部件和核心技术攻关，建立氢能和燃料电池汽车产业链。各个地区也纷纷出台了引导政策，例如上海市计划新建5座加氢站，推动燃料电池汽车的示范应用，燃料电池汽车将迎来快速发展时期。
燃料电池系统作为动力总成系统的核心，核心零部件众多、设计方案复杂，成为了制约国产燃料电池汽车研发和应用过程中的技术壁垒。本文作者对国外几款典型的燃料电池汽车的性能参数进行了对比分析，对整车驱动方式进行了总结分析。同时对燃料电池系统方案进行了研究，分析了各车型系统方案的原理、特点和整体发展趋势，为国内整车燃料电池系统方案的制定提供了参考。
1、 整车集成及性能参数的研究
如表1所示，通过国内外燃料电池乘用车性能参数对比，可知其动力性、续驶里程及百公里加速时间等基本性能指标上，与世界先进水平差距较小。但在电堆功率密度等关键性能指标方面，还远远落后于世界先进水平，并且核心部件大多依赖进口，无法实现国产化，相关技术水平至少落后发达国家5～10年。
目前国外燃料电池汽车广泛采用燃料电池系统与动力蓄电池混合驱动的方案，即燃料电池混合动力车(FuelCellHybridVehicle，FCHV)，如图2所示。该方案可解决燃料电池的性能和寿命问题，但另一方面也会导致汽车自身质量增加，影响整车动力性能;同时加大汽车架构设计难度，产生了额外的投入成本。
2、 燃料电池系统设计
2.1 福特P2000燃料电池系统设计
早期福特P2000FCEV燃料电池系统示意图，如图3所示。该系统由氢气供应、空气供应、去离子水管理和热管理4个子系统组成。
氢气供应系统主要由储氢瓶、电磁阀、压力调节阀、加湿器、引射器组成，是一个可实现氢气循环的闭合回路。电磁阀用来调节供氢通道的开通和关断。压力调节阀用来控制进入电堆的氢气压力和流量。氢气在经过几个减压阶段和加湿器加湿后被供应到燃料电池堆。引射器利用氢气消耗所产生的压降实现氢气循环。
空气供应系统主要由空气压缩机、加湿器、压力调节阀组成。空气经空气压缩机压缩后，通过过滤器和加湿器，将空气供给燃料电池堆。与氢气供应相比，空气供应系统是一个没有空气循环的开路。压力调节阀根据车辆的行驶工况，控制空气以不同的流速和压力提供给电堆。
去离子水系统主要由水分离器、去离子水箱、水泵组成。从阴极排气气流中的水被水气分离器抽走后，收集到去离子化水箱中。为了获得良好的加湿性能，热管理系统使用了一个带有去离子水箱的闭合冷却回路。该系统由水泵、热交换器、去离子水箱和两个加湿器组成。去离子水通过水泵进入燃料电池堆，出堆的冷却水先进入热交换器散热，再经过二次冷却回路冷却。这个二次冷却回路由另一个水泵循环，通过散热器带走电堆余热。氢气和空气加湿器均位于去离子水环路的回流路径上，利用回路中温度较高的水，提高了加湿器的性能。
2.2 丰田Mirai燃料电池系统设计
丰田Mirai中燃料电池系统由氢气系统、空气系统、冷却系统3个子系统组成。与丰田2008款FCHV-adv车型相比，最显著的变化是系统的简化，去掉了外部加湿器，并整合了阀门的功能，如图4所示。
Mirai的氢气系统主要由氢气调节阀、3个氢气引射器、氢气循环泵和吹扫阀组成。各部分主要作用为:氢气调节阀将氢罐压力从70MPa降到1MPa，以满足燃料电池堆内压力要求。在氢再循环回路的上游，采用3个氢气引射器用于控制进堆氢气的压力和流量。由于丰田Mirai首次采用了无外部加湿器的设计，作为替代，丰田开发了高效的氢气循环泵，可以将电堆阳极出口处没有参与内部电化学反应的氢气再次循环至电堆，提高燃料利用率并优化了水管理。吹扫阀用来去除燃料电池阳极通道中液态水和氮气。
空气系统主要由空气过滤器、压缩机、中冷器、空气阀、空气截止阀和消声器组成。空气通过空气过滤器滤除空气中灰尘、砂粒后进入压缩机。压缩机采用六叶螺旋罗茨式空压机，作用是将空气源源不断地输送到电堆入口并增压。中冷器用于降低增压后的高温空气温度，以降低电堆热负荷，提高进气量。空气阀控制气体进入电堆，根据加速踏板控制阀门开度并调节气体分流情况，改变发电量。不发电时，则关闭阀门。空气截止阀用来调节电堆出口侧空气压力。出口处消声器通过降低微振动效应，降低高压气流的排放噪声。
热管理系统主要由水控阀、冷却液泵、去离子装置、冷却风扇、主副散热器组成。其中电动水泵和水控阀是电堆温度控制的核心部件。电动水泵根据电堆进出口冷却液温差控制冷却液供应至燃料电池堆，电堆下游的冷却水控阀通过控制主副散热器侧之间的流量，改变流经主散热器和副散热器的冷却水比例，进而控制冷却液温度使燃料电池堆在70～80℃附近温度高效率发电。冷却风扇的作用是增大流经散热器的空气流速。去离子装置的作用是去除冷却系统中冷却液中融解的离子，降低冷却液电导率，保持电堆与其他部件电隔离。
在燃料电池系统中，必须控制电解液膜的湿度，以保证足够的质子电导率，稳定发电。这一功能通常由外部加湿器实现。然而，外部加湿器会增加空气系统的压力损失，这会增加系统的负荷并需要额外的零件，从而增加了系统的复杂性，不利于系统集成化、小型化。为此，丰田开发了一种无外部加湿器的新型燃料电池系统，除了文中提到了新型高效的氢气循环泵，电堆结构也需要作出创新性的改变，如图5、图6所示。
在电芯层面，阴极采用了3D立体精细微流道技术，反应产生的水能够通过亲水性的三维细网格流场快速抽出，防止积聚的水阻碍空气(氧气)的流动。同时通过改变肋槽通道宽度，产生湍流，促进氧气向催化剂层扩散。
在电堆层面，采用内部循环系统，无需加湿器，利用电池内产生的水蒸气自我加湿，保持电解质膜的质子传导性能。具体效果主要有3点:
(1)阳极采用增加氢气循环量，以及形成空气/氢气逆向流动的措施，增加了从上游到下游的水蒸气供应，对入口处干燥空气进行加湿;
(2)采用更薄的电解液膜，促进阴极侧反应产物水的反扩散;
(3)冷却液保持较低的温度，抑制交换膜上水分的蒸发。
2.3 本田Clarity燃料电池系统设计
图7(a)展示了本田Clarity中氢气系统和空气系统的配置。氢气系统主要分为高压氢系统和低压氢系统。高压氢气系统由加注口、氢气瓶、截止阀、调节阀组成。使用时加注口与氢气站相连，在加注氢气和燃料电池堆运行时主截止阀控制氢气进出。向燃料电池堆输送氢气时，调节阀用来将高压氢罐中的高压(最高可达87.5MPa)氢气调节至适当的压力范围。低压氢气系统由引射器、喷射器、吹扫阀、排水阀组成。喷射器主要用来精确控制电堆入口侧氢气的压力和流量。引射器用来控制流速，在电堆出口循环多余的氢气。燃料电池堆电化学反应过程中，阳极侧会产生大量的液态水，排水阀和吹扫阀主要用来将阳极侧残余水和杂质及时高效排出。
空气系统由空气泵、阴极截止阀、旁通阀、加湿器、旁通阀、压力调节阀和阴极截止阀组成。阴极截止阀主要用来调节从空气泵进入的阴极侧进堆空气压力。旁通阀和加湿器一起，通过高精度湿度反馈控制来调节空气湿度，优化电堆水管理能力。压力调节阀主要用来控制从气泵供应的空气压力。电堆入口/出口处安装有一个电堆旁通阀，该阀和阴极截止阀同时关断后将空气密封在电堆中。
图7(b)为热管理系统原理图，包括燃料电池堆和电堆冷却装置，电堆冷却装置由冷却液泵、加热器、节温阀(三通阀)、离子交换器和散热器组成。冷却系统的主要作用是将电堆内产生的热量通过散热器散掉。电堆冷却装置各部件功能为:冷却液泵对冷却液增压并向电堆输送冷却液;冷却液通过双极板和冷却流道与燃料电池中产生的热量进行换热;散热器向外部环境散热;节温阀通过设置冷却液是否流经散热器，实现大小循环散热(低温时与加热器循环快速暖机、高温时与散热器循环快速冷却);离子交换器通过去除冷却液中的离子来降低冷却液电导率，保证车辆电安全和防止电堆腐蚀;加热器回路通过冷却液回收电堆产热。
2.4 现代NEXO燃料电池系统设计
NEXO燃料电池系统由空气供给系统、氢气供给系统和热管理系统组成，如图8所示。空气供给系统的主要零部件有滤清器、空压机、加湿器、空气截止阀和背压阀等;氢气供给系统的主要零部件有氢气截止阀、氢气供给阀、引射器、吹扫阀、脱水器和排水阀等;热管理系统的主要零部件有散热器(风扇)、四向阀、PTC加热器、水泵、COD加热器和双向阀等。其中空气供给系统、氢气供给系统布置与零部件组成与国际主流形式基本一致。区别在于NEXO使用了双向阀和四向阀，同时使用PTC(正温度系数)热敏电阻和COD加热器快速制热，提高了电堆制冷剂温度控制的响应性，因此具有较好的低温冷启动能力。
3、 结论
经过几十年的发展，车载的燃料电池系统方案不断优化升级，各企业在其原有车型的基础上不断改进，形成了各具特色的设计方案。文中通过对福特、本田、丰田、现代等公司典型燃料电池车型的解析，总结出燃料电池汽车的燃料电池系统设计要点如下:
(1)燃料电池系统集成在传统发动机室是未来的发展趋势。对于燃料电池汽车，减少燃料电池堆和组件的体积是提高燃料电池系统容量、功率密度的重要途径。然而对于高性能燃料电池系统，组件的体积已经很难降低。因此将燃料电池堆及其组件与驱动电机集成，以及减少燃料电池系统中不同部件之间连接管的数量和长度，可有效提高系统功率密度。
(2)目前加湿系统主要有外部加湿和内部加湿两种方案。目前主流的燃料电池汽车仍然广泛采用外部加湿的方案。虽然外部加湿装置可能会增加燃料电池系统的复杂性和成本，但它可以克服没有加湿的水管理系统所带来的问题。为了克服这一问题，需要提高膜电导率和改善流场结构，以获得燃料电池堆在低湿度条件下所需的性能。