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國際論壇”上，新加坡淡馬錫理工學院潔凈能源研究中心首席科學家韓明博士帶來的《輕型車用空冷式質子交換膜燃料電池電池的研究與開發》。

中國對于燃料電池的研發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項目的研究背景，由科技部牽頭首次制定了車用燃料電池關鍵技術申報指南。這么多年以來車用燃料電池行業能取得現在的成就相當不容易，從低谷到高谷、從高谷到低谷，現在又逐漸發展起來。燃料電池最基本的原理就是氫氣和氧氣在燃料電池內部發生電化學反應，整個化學反應不僅產生水和熱，還會釋放出自由電子。從基本原理層面上來看燃料電池結構非常簡單，但如果從系統層面來分析燃料電池，它將是一個包含氫氣系統、空氣系統和水熱管理系統等多個子系統的復雜系統。其中氫氣子系統和空氣子系統主要為燃料電池提供反應所需的氫氣和氧氣，水熱管理子系統則主要將電化學反應產生的水和熱從燃料電池內部移除，以保障燃料電池的高效性和耐久性。

對于燃料電池系統結構而言，目前主流的電池熱量移除方式包括液體冷卻和空氣冷卻兩種，其中液體冷卻是最典型和最常用的。當前大功率車用燃料電池系統主要采用液體冷卻方式移除反應熱，采用液體冷卻的燃料電池系統會在空氣系統里包含一個空氣壓縮機，以及在熱管理系統里包含一個水泵。這些部件的引入必然會增加燃料電池系統的輔助能耗，實際使用過程中空壓機的輔助能耗差不多能夠占到燃料電池系統輸出功率的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的發展非常快，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。

繼續看日本豐田公司的燃料電池堆結構。相似地，豐田公司也是通過將燃料電池雙極板上的反應氣體流道變小、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，導致電池系統性能顯著增加，主要原因在于通過增加流道內的氣體流速，使之能夠產生較強的擴散和吹掃作用。但是這樣的設計存在一個缺點，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備(比如像壓縮機)來增加系統的進氣壓力，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？并且如何才能獲得最優匹配結果。因為在匹配壓縮機的時候，如果匹配不當的話，壓縮機運行時產生的輔助能耗將會很大，并且工作效率也很低。當燃料電池的輸出功率約為200kW時，輔助設備空壓機的運行能耗大約為20-30kW，這個輔助能耗還算比較小，實際應用過程中空壓機的輔助能耗比已經達到了20%，甚至可以達到30%。利用空壓機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反應產物水排出。但是空壓機的使用不僅增加了燃料電池系統的體積和重量，還具有輔助能耗高的缺點；并且空壓機的使用還增加了系統的成本，實際應用中壓縮機的造價非常高。

現在介紹另外一種熱管理系統---空氣冷卻系統，空冷系統的陰極是開放式的，沒有液體冷卻流道。整個燃料電池冷卻系統和空氣供給系統是融合在一起的，只有氫氣供給系統是獨立設計，所以它的整體結構比較簡單。目前此類陰極開放式燃料電池主要適用于無人機和部分小型汽車設計中。陰極開放式燃料電池系統內并沒有空壓機和冷卻水泵等輔助部件，并且冷卻系統和空氣供給系統被耦合起來，整個耦合系統中將只含有既作為冷卻源又作為供氧源的風扇部件。這樣不僅降低了燃料電池的系統成本，還有效降低了燃料電池系統的輔助能耗。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進行對比。采用液體冷卻的燃料電池系統需要采用空壓機為燃料電池提供電化學反應所需的氧氣，空氣通過空壓機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只包含一個風扇，空氣的進氣壓力與環境大氣壓保持相同。對于液冷式燃料電池系統而言，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，需要借助輔助系統對氫氣和空氣進行加濕。而對于空冷式燃料電池系統而言，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行加濕。此外，燃料電池系統中還有一個比較重要的特征參數就是輔助系統能耗，根據上面所述的內容可以知道液冷式燃料電池系統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而言，還需要考慮一個至關重要的因素---環境。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計，因此燃料電池使用環境的優劣對電池的性能及使用壽命格外重要。如果環境中存在許多灰塵，那么這些灰塵顆粒的存在可能會堵塞氣體擴散層內的反應物輸運通道，進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，實際上黃河的流水很臟，因為黃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使用了風扇，也就是說進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。

目前燃料電池的發展還面臨著一個重要問題就是低溫冷啟動，我們在實驗室里開展了燃料電池低溫冷啟動試驗，試驗是在零下20℃和零下40℃的環境條件下進行。根據低溫冷啟動試驗結果，當燃料電池在零下20℃的環境下存貯12個小時后，它可以在不到2分鐘的時間內迅速啟動。當燃料電池在零下40℃的環境下存貯12個小時后，這個環境條件下的冷啟動響應時間相對要慢一點，但燃料電池也在不到3分鐘的時間內順利啟動了。

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