氢燃料电堆及冷却系统在实际生产中应注意的问题

贾秀雷 高建路

摘 要：基于目前国内氢燃料电池技术还处于研究、引进和样车试验阶段，没有大批量的投入生产与应用，同时，对于批量安装氢燃料电堆及冷却液的性能、管路清洗、冷却液的加注等使用方法也没有统一的、指导性的标准和意见，也没有明确提出具体可参考的工艺方法和加注设备来完成批量性的生产任务，文章将根据我公司实际批量生产过程中，面临的问题及解决措施做简要阐述。

关键词：氢燃料电池;冷却液;技术参数;管路清洗;加注

中图分类号：U469.72  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2019）04-22-03

CLC NO.： U469.72  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2019）04-22-03

引言

国家推广新能源汽车作为“蓝天保卫战”[1]的重要战略，随着纯电动新能源汽车补贴政策的逐年退坡，对新能源汽车有了更严格的要求，这无疑是对相关车企的质量和技术等系统“硬件”的新一轮考验，但在实际生产和使用过程中，也越来越发现，纯电动车生产与销售已出现短板：纯电动汽车的短板是续驶里程和充电时间，尚不能满足量大面广的远程公交、双班出租、城市物流、长途运输等市场需求;生产电池芯的原材（钴）[2]主要靠进口，需求越大，进价越高，汽车生产企业明显感到原材料成本的压力，造成整车利润的降低，生产新能源汽车的积极性降低;电池使用寿命、更新及回收带来的成本问题也逐渐提到日程上来。为此，国家及时把产业化重点向燃料电池汽车拓展。燃料电池汽车具有清洁零排放、续航里程在500公里以内、加注时间快的特点，由于氢燃料电池车的排放产物只有水，因此作为未来汽车的终极目标，远远超越了以石油为动力的内燃机车型。从长远来看，氢燃料[3]是汽车能源的一种终极解决方案。

中国氢能联盟理事长、国家能源集团总经理凌文介绍，未来氢能将在小汽车、轨道交通、船舶、航天、物流系统、矿用车等领域广泛应用。以乘用车为例，到2030年，将发展100万辆燃料电池车，在建加氢站1000座;到2050年，氢燃料电池车和发电均实现大规模应用。根据《能源技术革命创新行动计划（2016-2030年）》，氢能与燃料电池技术创新是重点任务之一。

我国是第一产氢大国，具有丰富的氢源基础;到2050年氢在我国终端能源体系占比至少达10%，广泛应用于交通、化工原料、工业、建筑等领域，成为我国能源战略的重要组成部分。

1 氢燃料电堆与车辆的连接与使用

氢燃料电堆[4]产生的高压电经调整、转换、整理后，一部分储存在高压蓄能电池内，另外一部分直接传给车辆供电使用。如图1所示。

2 氢燃料电堆工作系统组成

氢燃料电堆通过氢燃料与单极板、双极板[5]、电解质、扩散层、膜电极、催化剂[6]等发生一系列的电化学反应直接产生电能，相当于一个小型发电装置。围绕着其主要功能，还包括其它总成：储存氢气的储氢罐;冷却电堆系统的散热器及冷却液，还有与冷却液管路中串联的冷却液去离子罐;为散热器提供冷却空气的空压机，和其前端的空滤器。如图2所示。

3 氢燃料电堆的冷却系统

目前燃料电池的效率在40%～60%之间，大约50%的化学能可以转换为电能，其余的绝大多数能量会转换为热量，因此燃料电池发动机通过冷却系统排出的热量很大。

由于质子交换膜[7]对温度非常敏感、同时燃料电池排气温度较低，与传统汽车对比与环境的温差小，因此对散热系循环回路提出了很高的要求。

为确保燃料电池温度分布的均匀性，进出口冷却液温差一般不超过 10℃。对于大功率燃料电池，這些热量一般是通过特殊处理的水将热量带走，再通过外冷却装置将热量散出。氢燃料电池对冷却水温、进出水温差和水流量有着苛刻的要求，一般冷却液的进口温度控制在 65℃ 左右，出口温度控制在 75 ℃ 左右，且控制精度要求高，一般要求在规定值±1℃范围内，水温和进出水温差的保证程度将直接影响电池的性能和寿命。大约有 95% 的废热需要通过冷却水来带走，而对于传统发动机[8]而言这个数值只有 50%左右，由此可见燃料电池发动机通过冷却系统的散热量相对较高。这些问题需要冷却液来解决，冷却液的选择、管路清洗、加注对整个系统的有效输出提供支持。

4 冷却液技术参数

冷却液在整个系统中工作流程中起到很重要的作用，其相关技术参数，加注前的造型、材料匹配、清洗等工作决定了电堆的正常使用、运行寿命、维护成本等。

氢燃料冷却液第1个指标也是最重要的指标是要求电导率（Conductivity）<5μS/ cm，但在实际应用中要求未装车之前电导率<2μS/ cm。因为电堆及散热器、管路等虽然经过清洗，但也可能要析出部分离子。现在了解的两种冷却液未装车前都能达到电导率<2μS/ cm的要求，并且装车后，也能维持这个水平。

指标2为乙二醇与去离子水按体积1：1混合，当然现在现在各厂家有微小区如巴斯夫它含有48%体积的乙二醇，另外就是各种添加剂。考虑电堆需要低温冷冻保护的情况下，必须使用更高的乙二醇浓度。乙二醇可以增加冷却液的冰点，但它的粘度较高。与纯乙二醇相比，水具有较低的粘度、较高的热导率和较高的热容量，因此具有较低的乙二醇浓度的溶液具有较好的传热性能。

添加剂是冷却液的核心技术，它选择的非离子型抑制剂具有非常低的、长期稳定的导电性，这个配合去离子装置确保了燃料电池动力装置的安全运行。其他要求颗粒大小<100 μm;氯离子含量≤0.0002%;铁离子含量≤0.0002%。

5 冷却液加注操作时的要点

5.1 电堆及管路的清洗

需要先对零部件清洗再连接完所有水路进行整体清洗。除了用去离子水清洗单件外，还要清洗整个管路系统。连接完管路加注去离子水（一定要用去离子水），然后给电推一个24V外接电源进行电推内部循环。并不断测试去离子水电导率，如果一次清洗达不到电导率<5μS/ cm的要求，需要放掉第一次的去离子水再加注新水，此种方式不断循环直至达到要求。

5.2 冷却液加注

因电堆内部结构为双极板结构，金属双极板的精度要求是微米级的，如加注时水压过高会造成电堆极板变形，间隙不匀，电堆双极板间隙就会变化，当超到其弹性变形或极限时，就会造成电堆“中毒”，永久损坏，所以在加注时一定要保证加注管道内的压力≤0.58Mpa。

在采用水泵加注的实际操作过程中，单靠人工，此压力是不能保证的，需要在加注管路上加装0.5bar g 的泄压阀，当水泵加注压力大于此数据时，管路系统压力将自动减小，使之达到符全要求的压力。

5.3 因现在国内无相关标准加注设备及配置

我们根据实际加注工作经验总结了以下几点：

（1）加注机（水泵）型号的选择标准是根据车辆加注口与冷却液储存罐的相对高度，保证其扬程能达到，一般要低于5米。

按照目前现行的做法，冷却液储存罐接水口处的高度在260mm左右，等同于加注机（水泵）的位置高度，散热器的出水口（也就是最低点）高度在350mm左右，能满足正常加注的要求。

因加注的压力和流量均不大，加注机采用的是220V的叶片泵，壳体和大部单件为ABS材质，以减少泵内部件金属离子的析出，为防止加注机（泵）断电停止后冷却液的回流，需要在散热器的出水口与加注机（泵）之间串联一台电控阀，实现通电时阀门打开，断电时阀关闭，1个开关同时控制着电控阀与加注机（泵）。如图3所示。

（2）加注前对加注设备管路内部用去离子水进行清洗，多次清洗直至去离子水的电导率<2μS/ cm。

（3）先从散热器的出水口（也就是最低点）加注，目的是对电推及管路内的空气进行有效排空。

（4）加注后启动电脑程序进行排空，观察副水箱直至水箱内无气泡出现为止。

至此，本次加注全部完成，如在路试过后需要补加冷却液，则直接在副水箱处加注即可。如图4所示。

6 结论

通过本次批量氢燃料电池车辆的生产，采用了上述的加注方法，经检测和2次完成充放氢气循环的路试，车辆能够达到正常着火、正常运行、正常自動检测的目标，整车达到合格的标准。

此生产工艺的实现，为以后大批量生产及同行业的推广使用打下良好的基础。

参考文献

[1] 国家政策.打赢蓝天保卫战三年行动计划[J].天津冶金，2018（12）： 1-15.

[2] 巴红飞，段景文，陈普，许永权.刚果（金）某铜钴酸浸渣选矿工艺研究[J].有色金属（选矿部分），2018（12）：53.

[3] 冯丹，胡利明，宗营.氢能燃料电池发展关键路径分析[J].化工时刊， 2018（12）：36-38.

[4] 裴冯来.典型30kW级质子交换膜燃料电池发动机性能测评对比研究[J].储能科学与技术，2018（7）：519-523.

[5] 花仕洋，徐增师，余罡，彭恩高.膨胀石墨在燃料电池双极板中的应用综述[J].船电技术，2018（6）：11-16.

[6] 孙一凡.汽车催化剂研究进展[J].中国科技纵横，2018（12）：228-229.

[7] 刘波，赵锋，李骁.质子交换膜燃料电池热管理技术的进展[J].电池， 2018（12）：202-205.

[8] 卫东.传统发动机节能有潜力专访丰田发动机领域的渡边泉部长和胁屋努主干[J].汽车与运动，2018（4）：114-115.