轻型车用空冷式质子交换膜燃料电池的研究与开发

本文为在中国汽研举办的“2019第二届新能源汽车测试评价技术国际论坛”上，新加坡淡马锡理工学院洁净能源研究中心首席科学家韩明博士带来的《轻型车用空冷式质子交换膜燃料电池的研究与开发》。

中国对于燃料电池的研发到目前为止已有二十多年的历史。起初是基于中国九五重大攻关项目的研究背景，由科技部牵头首次制定了车用燃料电池关键技术申报指南。这么多年以来车用燃料电池行业能取得现在的成就相当不容易，从低谷到高谷、从高谷到低谷，现在又逐渐发展起来。燃料电池最基本的原理就是氢气和氧气在燃料电池内部发生电化学反应，整个化学反应不仅产生水和热，还会释放出自由电子。从基本原理层面上来看燃料电池结构非常简单，但如果从系统层面来分析燃料电池，它将是一个包含氢气系统、空气系统和水热管理系统等多个子系统的复杂系统。其中氢气子系统和空气子系统主要为燃料电池提供反应所需的氢气和氧气，水热管理子系统则主要将电化学反应产生的水和热从燃料电池内部移除，以保障燃料电池的高效性和耐久性。

对于燃料电池系统结构而言，目前主流的电池热量移除方式包括液体冷却和空气冷却两种，其中液体冷却是最典型和最常用的。当前大功率车用燃料电池系统主要采用液体冷却方式移除反应热，采用液体冷却的燃料电池系统会在空气系统里包含一个空气压缩机，以及在热管理系统里包含一个水泵。这些部件的引入必然会增加燃料电池系统的辅助能耗，实际使用过程中空压机的辅助能耗差不多能够占到燃料电池系统输出功率的10%-20%，这个辅助能耗非常大。最近几年大功率车用燃料电池技术的发展非常快，主要原因在于燃料电池的能量密度在不断提高。以本田最新一代燃料电池汽车为例，本田公司通过将燃料电池双极板上的反应气体流道变小、变窄，使单体燃料电池的厚度从1.2mm降低到了1.0mm，从而减小了整个燃料电池堆的体积。从表中可以看出本田公司最新一代燃料电池堆的最大输出功率较上一代而言几乎没有变化，而燃料电池堆的体积却从52L减小到了33L，使得整个燃料电池堆的体积功率密度从1.9kW/L升高到了3.1kW/L。同时燃料电池的比功率也从1.5kW/kg提高到了2.0kW/kg。

继续看日本丰田公司的燃料电池堆结构。相似地，丰田公司也是通过将燃料电池双极板上的反应气体流道变小、变窄，使单体燃料电池的厚度从1.68mm降低到了1.34mm，从而使整个燃料电池堆的体积从64L减小到了37L。并且丰田最新一代燃料电池堆的最大输出功率较上一代而言也有较大的提升，电池堆的最大输出功率从90kW升高到了114kW，整个燃料电池堆的体积功率密度也从1.4kW/L增加到了3.1kW/L。同时燃料电池的比功率也从0.83kW/kg提高到了2.0kW/kg。由于燃料电池堆的流体通道变小了，导致电池系统性能显著增加，主要原因在于通过增加流道内的气体流速，使之能够产生较强的扩散和吹扫作用。但是这样的设计存在一个缺点，电池堆的流道变窄、变小将会使气体流动阻力变大，因此必须用一些高压设备(比如像压缩机)来增加系统的进气压力，所以整个燃料电池堆的辅助能耗将是比较大的。

目前常用的空压机主要有罗茨式、双螺杆式、离心式和轴流式四种类型，以离心式压缩机为例，如果给燃料电池堆一个输出功率，如何去匹配这个离心空压机？并且如何才能获得最优匹配结果。因为在匹配压缩机的时候，如果匹配不当的话，压缩机运行时产生的辅助能耗将会很大，并且工作效率也很低。当燃料电池的输出功率约为200kW时，辅助设备空压机的运行能耗大约为20-30kW，这个辅助能耗还算比较小，实际应用过程中空压机的辅助能耗比已经达到了20%，甚至可以达到30%。利用空压机虽然可以提高气体的工作压力，使之能够克服流体通道中的流动阻力，从而可以很容易地将电化学反应产物水排出。但是空压机的使用不仅增加了燃料电池系统的体积和重量，还具有辅助能耗高的缺点；并且空压机的使用还增加了系统的成本，实际应用中压缩机的造价非常高。

现在介绍另外一种热管理系统---空气冷却系统，空冷系统的阴极是开放式的，没有液体冷却流道。整个燃料电池冷却系统和空气供给系统是融合在一起的，只有氢气供给系统是独立设计，所以它的整体结构比较简单。目前此类阴极开放式燃料电池主要适用于无人机和部分小型汽车设计中。阴极开放式燃料电池系统内并没有空压机和冷却水泵等辅助部件，并且冷却系统和空气供给系统被耦合起来，整个耦合系统中将只含有既作为冷却源又作为供氧源的风扇部件。这样不仅降低了燃料电池的系统成本，还有效降低了燃料电池系统的辅助能耗。阴极开放式燃料电池的辅助能耗约占燃料电池系统输出功率的5%到10%。

接下来对上述两种冷却方式的燃料电池系统进行对比。采用液体冷却的燃料电池系统需要采用空压机为燃料电池提供电化学反应所需的氧气，空气通过空压机后压力可以升高到原来的2-4倍；而采用空气冷却的燃料电池系统只包含一个风扇，空气的进气压力与环境大气压保持相同。对于液冷式燃料电池系统而言，燃料电池的输出功率可以超过100kW，但为确保燃料电池能够正常工作，需要借助辅助系统对氢气和空气进行加湿。而对于空冷式燃料电池系统而言，燃料电池的输出功率通常不超过5kW，并且阴极是裸露在空气中的，因此只需要对阳极的氢气进行加湿。此外，燃料电池系统中还有一个比较重要的特征参数就是辅助系统能耗，根据上面所述的内容可以知道液冷式燃料电池系统的辅助能耗约占整个燃料电池输出功率的20%到30%，而空冷式燃料电池系统的辅助能耗约占整个燃料电池输出功率的5%，辅助能耗的最大占比也不会超过10%。

对于空冷式燃料电池系统而言，还需要考虑一个至关重要的因素---环境。正如上面介绍的一样，空冷式燃料电池的阴极采用开放式设计，因此燃料电池使用环境的优劣对电池的性能及使用寿命格外重要。如果环境中存在许多灰尘，那么这些灰尘颗粒的存在可能会堵塞气体扩散层内的反应物输运通道，进而影响燃料电池的性能和使用寿命。就像我们非常熟悉的黄河一样，实际上黄河的流水很脏，因为黄河水里夹杂有许多砂石颗粒。这些砂石颗粒在低流速下会沉降到河床底部，但当黄河涨水时水流速度急剧增大，之前沉降在河床底部的砂石颗粒将会被冲走。由于空冷式燃料电池系统使用了风扇，也就是说进入燃料电池阴极的空气将具有一定的流动速度，并且此类燃料电池的体积较小，空气的运动方向与阴极接触面保持平行，使得这些颗粒会很容易地被气体吹走。因此我认为即使空气中含有一部分灰尘也是没有问题的。

目前燃料电池的发展还面临着一个重要问题就是低温冷启动，我们在实验室里开展了燃料电池低温冷启动试验，试验是在零下20℃和零下40℃的环境条件下进行。根据低温冷启动试验结果，当燃料电池在零下20℃的环境下存贮12个小时后，它可以在不到2分钟的时间内迅速启动。当燃料电池在零下40℃的环境下存贮12个小时后，这个环境条件下的冷启动响应时间相对要慢一点，但燃料电池也在不到3分钟的时间内顺利启动了。