本文為在中國汽研舉辦的“2019第二屆新能源汽車測試評價技術(shù)國際論壇”上，新加坡淡馬錫理工學(xué)院潔凈能源研究中心首席科學(xué)家韓明博士帶來的《輕型車用空冷式質(zhì)子交換膜燃料電池電池的研究與開發(fā)》。

中國對于燃料電池的研發(fā)到目前為止已有二十多年的歷史。起初是基于中國九五重大攻關(guān)項(xiàng)目的研究背景，由科技部牽頭首次制定了車用燃料電池關(guān)鍵技術(shù)申報指南。這么多年以來車用燃料電池行業(yè)能取得現(xiàn)在的成就相當(dāng)不容易，從低谷到高谷、從高谷到低谷，現(xiàn)在又逐漸發(fā)展起來。燃料電池最基本的原理就是氫氣和氧氣在燃料電池內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，整個化學(xué)反應(yīng)不僅產(chǎn)生水和熱，還會釋放出自由電子。從基本原理層面上來看燃料電池結(jié)構(gòu)非常簡單，但如果從系統(tǒng)層面來分析燃料電池，它將是一個包含氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和水熱管理系統(tǒng)等多個子系統(tǒng)的復(fù)雜系統(tǒng)。其中氫氣子系統(tǒng)和空氣子系統(tǒng)主要為燃料電池提供反應(yīng)所需的氫氣和氧氣，水熱管理子系統(tǒng)則主要將電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水和熱從燃料電池內(nèi)部移除，以保障燃料電池的高效性和耐久性。

對于燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)而言，目前主流的電池?zé)崃恳瞥绞桨ㄒ后w冷卻和空氣冷卻兩種，其中液體冷卻是最典型和最常用的。當(dāng)前大功率車用燃料電池系統(tǒng)主要采用液體冷卻方式移除反應(yīng)熱，采用液體冷卻的燃料電池系統(tǒng)會在空氣系統(tǒng)里包含一個空氣壓縮機(jī)，以及在熱管理系統(tǒng)里包含一個水泵。這些部件的引入必然會增加燃料電池系統(tǒng)的輔助能耗，實(shí)際使用過程中空壓機(jī)的輔助能耗差不多能夠占到燃料電池系統(tǒng)輸出功率的10%-20%，這個輔助能耗非常大。最近幾年大功率車用燃料電池技術(shù)的發(fā)展非?？?，主要原因在于燃料電池的能量密度在不斷提高。以本田最新一代燃料電池汽車為例，本田公司通過將燃料電池雙極板上的反應(yīng)氣體流道變小、變窄，使單體燃料電池的厚度從1.2mm降低到了1.0mm，從而減小了整個燃料電池堆的體積。從表中可以看出本田公司最新一代燃料電池堆的最大輸出功率較上一代而言幾乎沒有變化，而燃料電池堆的體積卻從52L減小到了33L，使得整個燃料電池堆的體積功率密度從1.9kW/L升高到了3.1kW/L。同時燃料電池的比功率也從1.5kW/kg提高到了2.0kW/kg。

繼續(xù)看日本豐田公司的燃料電池堆結(jié)構(gòu)。相似地，豐田公司也是通過將燃料電池雙極板上的反應(yīng)氣體流道變小、變窄，使單體燃料電池的厚度從1.68mm降低到了1.34mm，從而使整個燃料電池堆的體積從64L減小到了37L。并且豐田最新一代燃料電池堆的最大輸出功率較上一代而言也有較大的提升，電池堆的最大輸出功率從90kW升高到了114kW，整個燃料電池堆的體積功率密度也從1.4kW/L增加到了3.1kW/L。同時燃料電池的比功率也從0.83kW/kg提高到了2.0kW/kg。由于燃料電池堆的流體通道變小了，導(dǎo)致電池系統(tǒng)性能顯著增加，主要原因在于通過增加流道內(nèi)的氣體流速，使之能夠產(chǎn)生較強(qiáng)的擴(kuò)散和吹掃作用。但是這樣的設(shè)計(jì)存在一個缺點(diǎn)，電池堆的流道變窄、變小將會使氣體流動阻力變大，因此必須用一些高壓設(shè)備(比如像壓縮機(jī))來增加系統(tǒng)的進(jìn)氣壓力，所以整個燃料電池堆的輔助能耗將是比較大的。

目前常用的空壓機(jī)主要有羅茨式、雙螺桿式、離心式和軸流式四種類型，以離心式壓縮機(jī)為例，如果給燃料電池堆一個輸出功率，如何去匹配這個離心空壓機(jī)？并且如何才能獲得最優(yōu)匹配結(jié)果。因?yàn)樵谄ヅ鋲嚎s機(jī)的時候，如果匹配不當(dāng)?shù)脑挘瑝嚎s機(jī)運(yùn)行時產(chǎn)生的輔助能耗將會很大，并且工作效率也很低。當(dāng)燃料電池的輸出功率約為200kW時，輔助設(shè)備空壓機(jī)的運(yùn)行能耗大約為20-30kW，這個輔助能耗還算比較小，實(shí)際應(yīng)用過程中空壓機(jī)的輔助能耗比已經(jīng)達(dá)到了20%，甚至可以達(dá)到30%。利用空壓機(jī)雖然可以提高氣體的工作壓力，使之能夠克服流體通道中的流動阻力，從而可以很容易地將電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水排出。但是空壓機(jī)的使用不僅增加了燃料電池系統(tǒng)的體積和重量，還具有輔助能耗高的缺點(diǎn)；并且空壓機(jī)的使用還增加了系統(tǒng)的成本，實(shí)際應(yīng)用中壓縮機(jī)的造價非常高。

現(xiàn)在介紹另外一種熱管理系統(tǒng)---空氣冷卻系統(tǒng)，空冷系統(tǒng)的陰極是開放式的，沒有液體冷卻流道。整個燃料電池冷卻系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)是融合在一起的，只有氫氣供給系統(tǒng)是獨(dú)立設(shè)計(jì)，所以它的整體結(jié)構(gòu)比較簡單。目前此類陰極開放式燃料電池主要適用于無人機(jī)和部分小型汽車設(shè)計(jì)中。陰極開放式燃料電池系統(tǒng)內(nèi)并沒有空壓機(jī)和冷卻水泵等輔助部件，并且冷卻系統(tǒng)和空氣供給系統(tǒng)被耦合起來，整個耦合系統(tǒng)中將只含有既作為冷卻源又作為供氧源的風(fēng)扇部件。這樣不僅降低了燃料電池的系統(tǒng)成本，還有效降低了燃料電池系統(tǒng)的輔助能耗。陰極開放式燃料電池的輔助能耗約占燃料電池系統(tǒng)輸出功率的5%到10%。

接下來對上述兩種冷卻方式的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行對比。采用液體冷卻的燃料電池系統(tǒng)需要采用空壓機(jī)為燃料電池提供電化學(xué)反應(yīng)所需的氧氣，空氣通過空壓機(jī)后壓力可以升高到原來的2-4倍；而采用空氣冷卻的燃料電池系統(tǒng)只包含一個風(fēng)扇，空氣的進(jìn)氣壓力與環(huán)境大氣壓保持相同。對于液冷式燃料電池系統(tǒng)而言，燃料電池的輸出功率可以超過100kW，但為確保燃料電池能夠正常工作，需要借助輔助系統(tǒng)對氫氣和空氣進(jìn)行加濕。而對于空冷式燃料電池系統(tǒng)而言，燃料電池的輸出功率通常不超過5kW，并且陰極是裸露在空氣中的，因此只需要對陽極的氫氣進(jìn)行加濕。此外，燃料電池系統(tǒng)中還有一個比較重要的特征參數(shù)就是輔助系統(tǒng)能耗，根據(jù)上面所述的內(nèi)容可以知道液冷式燃料電池系統(tǒng)的輔助能耗約占整個燃料電池輸出功率的20%到30%，而空冷式燃料電池系統(tǒng)的輔助能耗約占整個燃料電池輸出功率的5%，輔助能耗的最大占比也不會超過10%。

對于空冷式燃料電池系統(tǒng)而言，還需要考慮一個至關(guān)重要的因素---環(huán)境。正如上面介紹的一樣，空冷式燃料電池的陰極采用開放式設(shè)計(jì)，因此燃料電池使用環(huán)境的優(yōu)劣對電池的性能及使用壽命格外重要。如果環(huán)境中存在許多灰塵，那么這些灰塵顆粒的存在可能會堵塞氣體擴(kuò)散層內(nèi)的反應(yīng)物輸運(yùn)通道，進(jìn)而影響燃料電池的性能和使用壽命。就像我們非常熟悉的黃河一樣，實(shí)際上黃河的流水很臟，因?yàn)辄S河水里夾雜有許多砂石顆粒。這些砂石顆粒在低流速下會沉降到河床底部，但當(dāng)黃河漲水時水流速度急劇增大，之前沉降在河床底部的砂石顆粒將會被沖走。由于空冷式燃料電池系統(tǒng)使用了風(fēng)扇，也就是說進(jìn)入燃料電池陰極的空氣將具有一定的流動速度，并且此類燃料電池的體積較小，空氣的運(yùn)動方向與陰極接觸面保持平行，使得這些顆粒會很容易地被氣體吹走。因此我認(rèn)為即使空氣中含有一部分灰塵也是沒有問題的。

目前燃料電池的發(fā)展還面臨著一個重要問題就是低溫冷啟動，我們在實(shí)驗(yàn)室里開展了燃料電池低溫冷啟動試驗(yàn)，試驗(yàn)是在零下20℃和零下40℃的環(huán)境條件下進(jìn)行。根據(jù)低溫冷啟動試驗(yàn)結(jié)果，當(dāng)燃料電池在零下20℃的環(huán)境下存貯12個小時后，它可以在不到2分鐘的時間內(nèi)迅速啟動。當(dāng)燃料電池在零下40℃的環(huán)境下存貯12個小時后，這個環(huán)境條件下的冷啟動響應(yīng)時間相對要慢一點(diǎn)，但燃料電池也在不到3分鐘的時間內(nèi)順利啟動了。

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