车用燃料电池发动机水热管理系统探讨＊

夏全刚

（1.上海燃锐新能源汽车技术有限公司，上海 201805；

2.浙江清华长三角研究院氢燃料电池汽车技术研究中心，浙江 嘉兴 314000）

前言

近年来环境污染日益加重，为减少污染，新能源车越来越普及，而氢能汽车是很好的方向。燃料电池汽车是电动汽车的一个重要分支，随着 2015年日本丰田的燃料电池车MIRAI开始在日本及北美市场销售，国内外诸多研究人员[1-3]的深入研究[4-5]，我国也正式由实验室研究阶段转向产业化阶段[6]，其燃料电池发动机与锂电池相比，具有低温启动性好、寿命长、重量轻、续驶里程长、加氢时间短、对环境无污染等特点，大规模的氢资源，燃料电池发动机发展潜力巨大。

燃料电池发动机的另一个优势是，在一定温度、湿度与压力的环境下，将空气中的氧气与燃料在催化剂的催化作用下，产生电能的系统。其核心，电堆是由一片片的单电池并联而成，而每一片单电池是由双极板与 MEA（membrane electrode assembly）组成。空气系统需要一定的增压与加湿装置，在电堆双极板的阴极侧参加反应；氢气一般存贮在高压气瓶中，氢气系统需要一定的减压与加湿系统，在电堆双极板的阳极侧参与反应；反应中产生的热，通过冷却系统的散热器总成将其热量带走，保证整个系统在最佳的工况运行。为了保证系统的整体运行平稳，系统中采取一定的辅助手段，比如低温启动采用辅助电加热器，电堆中 MEA（membrane electrode assembly）的水淹现象采用一定时间的吹扫，阴阳极压差超高采用一定稳压控制策略，氢、空系统采用一定的闭环等，从而延长发动机的使用寿命，保证系统可靠平稳运行。

1 燃料电池发动机水热管理的概念

本文以某款30KW系统为研究范围，燃料电池发动机是整个汽车动力系统的心脏[7]，主要包括空气子系统、氢气子系统、水热管理子系统和控制子系统。其中燃料电池电堆包括单电池模组，单电池采样 CVM（cell voltage measuring）等零部件；空气子系统包括空气滤清器、流量计、空压机、膜加湿器、电磁三通阀、节气门等零部件；氢气子系统包括氢进电磁阀、喷氢引射器、汽水分离器、尾排电磁阀等零部件；水热管理子系统包括水泵、电磁三通阀、电加热器、散热器总成、去离子装置等零部件；控制子系统包括控制模块FCU（Fuel control unit）、线束总成等零部件。其系统模块化集成结构如图1所示。本文主要针对水热管理子系统进行一定的探讨与分析。

图1 燃料电池发动机轴侧图

2 水热管理系统的计算与分析

水热管理系统包括FCE（fuel cell energy）冷却系统以及辅助冷却系统，本文以FCE冷却系统为例来进行一定的匹配计算。其工作原理图如图2所示：

图2 水热管理系统工作原理图

此款30KW系统设计要求如下：

1）设计环境温度：40 ℃

2）FCE设计散热量为37 kW，燃料电池工作需求的水温3-85 ℃。

2.1 冷却水泵

3）压力满足电堆需求≤2 bara（绝压）

水泵是燃料电池冷却系统的最为核心部件，其功能是在燃料电池系统电堆在不同工况工作时，通过控制器FCU采集一定的传感器信号，时时满足电堆的流量、压力、温度要求。

以电堆所要求的最大散热量37 kW来进行FCE水泵性能匹配计算，FCE水泵最大流量应为：

选择内径为φ32mm的塑胶管，水路中冷却水流速根据公式：

式中：Q为冷却水流量；A为管路截面积；r为管路半径。冷却水流速为：

沿程阻力损失：

接头阻力损失：

弯头阻力损失：

因此，水路中阻力损失为：

2.2 电磁三通阀

电磁三通阀根据冷却水温度、流量及压力通过一定的控制程序自动调节进入散热器总成的水量，以保证燃料电池在合适的温度范围内工作，可起到节约能耗等作用。此款30KW系统最佳的电堆入口温度为 73℃，通过电磁三通阀的调节作用保证出口的温度不超过81℃，使系统在最佳的工况下运行。

2.3 去离子水箱

去离子水箱是由可拆卸的去离子球或装置与满足一定容积的水箱集成所得，解决了去离子器阻力大的问题，使系统更加简便。而冷却液是由一定浓度的乙二醇和去离子水混合而成，为增加系统的可靠性，添加了一定比例的缓蚀剂，能够延缓锈蚀，抑制水热系统导电性等功能。

2.4 其余部件

电加热器和散热器总成在传统燃油车和锂电池新能源车中使用已相对比较成熟。电加热器保证系统低温启动的正常运行；而散热器总成则保证系统在最佳的工作温度下运行。

水热管理系统中每个部件相辅相成，通过水泵的调速运行保证系统的流量与压力满足需求；通过电磁三通阀与电加热的调节，保证系统以最快的速度升温到系统最佳的工作温度；散热器总成通过调节风扇的转速，保证系统最佳运行温度的稳定性；去离子水箱中的添加一定比例缓蚀剂的乙二醇去离子水溶液，能够最大限度的抑制管路内部的锈蚀，尽可能的保证系统在离子浓度≤5μs/cm的环境下运行。

3 水热管理系统的失效分析

该款30KW系统安装在某款大巴车上，经过长达两年的实车测试与验证，噪音小、运行平稳，但最后发现系统电堆中的单体电压下降了很多，经过理论与实践分析，发现系统中好多零部件存在一定的隐患。

3.1 去离子水溶液失效分析

在整车运行时，采用了去离子水溶液进行系统冷却，发现去离子水溶液在运行一段时间后存在一定的浑浊现象，通过不同倍率的电镜扫掠可知，去离子水溶液中多了不同种类的物质，具体如图3所示。采用红外光谱做进一步的定性分析可知，不同种类的物质以含有硅的有机物为主，具体结果如图4所示。

图3 电镜扫略图

图4 红外光谱分析曲线图(a)

图5 红外光谱分析图(b)

为确保不同种类物质的属性及比例，进一步通过红外光谱做定量分析，发现里面含有CaCO3、SiO2、Al2O3、SiO2、Fe、Cu、Ag、Sn、PbF2，如图 5所示。通过对系统不同部件的分析，发现硅化物的存在可能是塑胶管的问题；铝化物的存在可能是散热器、电加热器或水泵的问题；铁、铜或银的存在可能是管路接头或传感器的问题；钙化物的存在可能是MEA和双极板的问题。不同物质的析出最终会导致电堆的失效，系统的停机。具体结果如表1所示。

表1 参数表

3.2 其余部件失效分析

通过对系统的进一步拆解，我们发现诸多部件已经出现了严重的锈蚀与结垢现象，为水热管理系统的优化，提供了一定的借鉴与参考，如图6、图7、图8所示。图7是系统的某根管路，出现了严重的结垢，大量的硅化物析出，其原因是管路壁面选用材质与处理工艺不符合要求；图8、图9是系统的某水泵与传感器，出现了严重的锈蚀，其原因是选用的材质与处理的工艺不符合要求。

图6 某管路局部图

图7 某水泵局部图

图8 某传感器局部图

4 结束语

本文从水热管理系统的角度进行了一定的匹配计算与失效分析，从宏观与微观方向，对部分失效部件进行一定的定量与定性分析，并提出了部分解决方案。为科研及工程技术人员进一步优化系统工艺提供了一定的参考意义。