本田公司為了實(shí)現(xiàn)將燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)置于Clarity燃料電池汽車引擎蓋下方，對(duì)燃料電池冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了小型化(downsizing)設(shè)計(jì)。本田公司通過精確預(yù)估金屬雙極板的腐蝕電流大小、降低冷卻劑的電導(dǎo)率和取消電池隔離橡膠(insulation rubber)來減小電池尺寸。對(duì)于冷卻系統(tǒng)體積，調(diào)節(jié)冷卻劑的電導(dǎo)率以減少冷卻水泵等部件體積。此外，調(diào)節(jié)冷卻劑電導(dǎo)率在一定范圍內(nèi)有助于減小電堆和冷卻設(shè)備(如水泵)體積。為了減小冷卻劑電導(dǎo)率，本田建立一種燃料電池冷卻系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以減少離子分解(ion dissolution)、抑制冷卻劑衰減(degradation of coolant)和持續(xù)減少融解離子(dissolved ions)數(shù)目。以上措施使得本田Clarity燃料電池汽車的冷卻系統(tǒng)體積減少20%，成功實(shí)現(xiàn)世界第一輛五座燃料電池乘用車面世。

本田公司于2016年推出全球首輛五座燃料電池汽車-Clarity Fuel Cell。為了實(shí)現(xiàn)類似傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力布置方案-將動(dòng)力裝置集成并放置在引擎蓋下方，本田公司在2009款燃料電池汽車基礎(chǔ)上大大減少了燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的體積。此外，動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下方亦可以避免重新開發(fā)全新的燃料電池車身(car body)，降低燃料電池汽車成本(可以和混合動(dòng)力汽車或者傳統(tǒng)汽車共享車身)。

本田Clarity燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)布置

1. 燃料電池冷卻系統(tǒng)小型化背景

下圖為燃料電池冷卻系統(tǒng)原理圖，包含燃料電池堆、水泵、散熱器、節(jié)溫器(三通閥)、去離子裝置和熱回路(heat recovery circuit)組成。冷卻系統(tǒng)的主要作用為將電堆產(chǎn)生的熱量通過散熱器散掉。每個(gè)部件的功能如下：水泵對(duì)冷卻液增壓并向前輸送冷卻液；散熱器向外部環(huán)境散熱；節(jié)溫器實(shí)現(xiàn)大小循環(huán)散熱(設(shè)置冷卻液是否流經(jīng)散熱器散熱)；去離子裝置保證電安全和防止電堆腐蝕(降低冷卻液中的離子數(shù)目)；熱回路通過冷卻液回收電堆產(chǎn)熱來提高低溫環(huán)境適應(yīng)性。

燃料電池冷卻系統(tǒng)原理圖

下圖為本田燃料電池堆的結(jié)構(gòu)圖。為了滿足車用動(dòng)力性要求，電堆由幾百片單電池串聯(lián)形成。燃料電池堆氣體采用水平相向的流動(dòng)方式，2塊MEA與3塊雙極板構(gòu)成一個(gè)電池單元，組成獨(dú)特的冷卻結(jié)構(gòu)。質(zhì)子交換膜燃料電池中電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量通過雙極板與冷卻流道中的冷卻劑進(jìn)行換熱。

單電池冷卻區(qū)域

為了將動(dòng)力系統(tǒng)置于引擎蓋下方，本田公司的目標(biāo)是開發(fā)和V6發(fā)動(dòng)機(jī)體積相等的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)。因此，對(duì)于燃料電池冷卻系統(tǒng)，需要從結(jié)構(gòu)和功能兩個(gè)方面考慮減小其體積。本田在保持冷卻系統(tǒng)同樣散熱能力的前提下，優(yōu)化了電池冷卻流道結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了燃料電池電堆體積減小20%(與本田2009款相比)。由于電堆由數(shù)百片單電池組成，減小單電池厚度將大大降低電堆體積。因此，本田將關(guān)注點(diǎn)放在隔離橡膠上(rubber insulation)。下圖對(duì)比了本田公司09MY和16MY兩款燃料電池堆。從上到下依次展示的是：09MY和16MY兩款電堆的正視圖，冷卻流場(chǎng)結(jié)構(gòu)的高度變化，由于橡膠隔離引起的從歧管處冷卻流道的路徑變化。

冷卻流道細(xì)節(jié)

09MY電堆通過使用密封圈來包裹冷卻流場(chǎng)的四邊(上、下、左、右)實(shí)現(xiàn)對(duì)金屬雙極板的防腐處理。相反，16MY電堆冷卻流場(chǎng)降低了上下兩個(gè)密封圈的厚度，但h16MY和h09MY高度保持相同。因此，在沒有提高冷卻流道壓降的前提下，通過兩層密封圈設(shè)計(jì)降低了電池厚度。同樣，從歧管至被密封圈覆蓋的金屬表面距離l16MY比09MY對(duì)應(yīng)的l09MY短，減少了電池面積。上述結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆體積減少20%。

2. 燃料電池冷卻系統(tǒng)功能

下表展示了燃料電池冷卻系統(tǒng)的功能、影響這些功能的參數(shù)以及小型化涉及的問題。電堆冷卻效果由進(jìn)入電堆的冷卻液流量、散熱器和向外界的散熱量決定。當(dāng)降低水泵和散熱器的體積，冷卻液流量和散熱量也隨之減少，降低了冷卻效果。因此，本田公司舍棄降低冷卻系統(tǒng)部件尺寸的做法，轉(zhuǎn)而選擇將冷卻系統(tǒng)管道長(zhǎng)度(piping length)變短。

燃料電池冷卻系統(tǒng)的三個(gè)功能

燃料電池冷卻系統(tǒng)需要具備導(dǎo)電隔離以保證車輛的電安全(electrical safety)，這取決于電堆到GND(ground)的長(zhǎng)度以及冷卻液的電導(dǎo)率。如上所述，小型化減少了管道長(zhǎng)度，這有利于降低絕緣電阻值(insulation resistance)。為了保證絕緣電阻值在一定范圍，新一代MY電堆系統(tǒng)中冷卻液電導(dǎo)率要比前一代09MY中小。

下圖表示冷卻流場(chǎng)的氧化還原反應(yīng)位置-冷卻流場(chǎng)的易腐蝕區(qū)域。燃料電池金屬雙極板一般會(huì)進(jìn)行表面改性處理，其耐腐蝕涂層一定程度上會(huì)抑制腐蝕。

冷卻流場(chǎng)的腐蝕區(qū)域

冷卻流場(chǎng)區(qū)域流經(jīng)冷卻劑，由于冷卻劑導(dǎo)電，不可能在物理上阻止電閉合電路的形成。如下圖所示，當(dāng)沿著冷卻流道方向不銹鋼金屬暴露在外，金屬雙極板腐蝕就會(huì)發(fā)生，主要后果就是引起不銹鋼的主要成分在高電位(公式1)側(cè)腐朽，同時(shí)在低電位(公式2)側(cè)由于氧化還原反應(yīng)產(chǎn)生氫氣。

當(dāng)冷卻流道區(qū)域的不銹鋼材料發(fā)生腐朽，材料的強(qiáng)度將大打折扣，此時(shí)壓差易使金屬材料變形，并且點(diǎn)腐蝕也可能發(fā)生(點(diǎn)腐蝕簡(jiǎn)稱點(diǎn)蝕，指金屬表面在腐蝕介質(zhì)中形成小孔的一種極為局部的腐蝕形態(tài))。當(dāng)電池厚度和導(dǎo)電隔離距離減少，各部分電阻也隨之降低，冷卻流道中的腐蝕電流值增加，進(jìn)一步加速了金屬雙極板的腐蝕。降低冷卻液電導(dǎo)率有利于減少電堆體積和金屬雙極板的耐腐蝕性。

下圖為精確計(jì)算燃料電池堆中腐蝕電流值的等效電流圖。假定冷卻流道歧管電流為IA，冷卻流道電流值為IB，冷卻流道歧管電阻值為RA，冷卻流道電阻值為RB。等效電流圖用來計(jì)算最大腐蝕電流IB(n+1)。

電堆電路

下圖表示電池厚度、導(dǎo)電隔離距離、水平方向冷卻劑電導(dǎo)率和垂直方向腐蝕電流對(duì)最大腐蝕電流IB(n+1)的影響情況(基于09MY電堆為基礎(chǔ)且假設(shè)09MY為100%)。可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池厚度在Y方向上降低20%時(shí)，冷卻流道歧管電阻值RA變小，最大腐蝕電流IB(n+1)增加了14%。為了降低Z方向長(zhǎng)度取消密封圈且導(dǎo)電隔離距離減少79%，最大腐蝕電流提高了113%。因此，電池厚度和導(dǎo)電隔離距離減小會(huì)引起最大腐蝕電流提高。

燃料電池電堆中組件層數(shù)、冷卻流道歧管橫截面積和工作環(huán)境也會(huì)引起最大腐蝕電流升高。從下圖可以看出，降低冷卻劑的電導(dǎo)率大大降低了最大腐蝕電流IB(n+1)。因此，16MY電堆的目標(biāo)是在09MY基礎(chǔ)上冷卻劑電導(dǎo)率降低59%，通過降低電池厚度和導(dǎo)電隔離距離提高腐蝕電流。

可以確定的是，冷卻劑電導(dǎo)率影響電堆和冷卻系統(tǒng)部件的體積。下面兩張圖橫坐標(biāo)表示冷卻劑電導(dǎo)率比值(與09MY相比，09MY為100%)，縱坐標(biāo)分別表示冷卻系統(tǒng)部件體積比值和電堆體積比值。對(duì)于冷卻系統(tǒng)部件，當(dāng)冷卻劑電導(dǎo)率降低，絕緣電阻值升高，因此冷卻系統(tǒng)管路長(zhǎng)度減少，冷卻系統(tǒng)部件體積也隨之減少。為了建立電導(dǎo)率比值小于4%的冷卻系統(tǒng)(如圖中2)，有必要在電堆入口安裝去離子裝置。然而，去離子裝置的存在引起冷卻系統(tǒng)中壓降增加，水泵體積增加，即冷卻系統(tǒng)部件體積增加。

對(duì)于電堆，當(dāng)冷卻劑電導(dǎo)率從100%降到4%時(shí)(下圖中3)，受電池厚度和導(dǎo)電隔離距離影響的絕緣電阻值會(huì)升高，意味著，導(dǎo)電隔離用的橡膠數(shù)目和電堆體積會(huì)減小。當(dāng)冷卻劑電導(dǎo)率低于4%甚至更低，僅雙極板腐蝕現(xiàn)象減緩，體積減小的效果微乎其微。綜上所述，可以通過調(diào)節(jié)冷卻劑的電導(dǎo)率在一定范圍，實(shí)現(xiàn)燃料電磁冷卻系統(tǒng)的小型化。

3. 低電導(dǎo)率燃料電池冷卻系統(tǒng)的構(gòu)建

冷卻劑中離子融解(ion dissolution)主要來源于冷卻系統(tǒng)零部件、熱回路(heater system)零部件和冷卻劑降解產(chǎn)生的離子。即使采取措施減少冷卻劑中的離子數(shù)目，來自于冷卻系統(tǒng)中零部件和冷卻劑降解的離子也會(huì)隨之發(fā)生。為了維持燃料電池冷卻回路中較低的離子電導(dǎo)率，有必要解決兩個(gè)問題：1.減少來自于零部件的離子融解，抑制冷卻劑的降低；2.建立可以持續(xù)不斷消除融解離子的燃料電池冷卻系統(tǒng)。

本田公司09MY中已經(jīng)采取了相關(guān)措施抑制來自于冷卻系統(tǒng)中零部件的離子融解，如下表所示。其中，制造散熱器過程中已考慮了降低離子融解的效應(yīng)。選擇低離子融解率的材料制造管路、樹脂部件和橡膠管(rubber hose)。此外，還在冷卻劑中添加氧化抑制劑限制熱分解引起的離子融解。

相比于09MY，16MY增加了一個(gè)可從燃料電池堆吸收廢熱的系統(tǒng)，該系統(tǒng)用來加熱冷卻液。同樣，對(duì)于熱回路系統(tǒng)(heater system)也需要降低電導(dǎo)率。方法如下表所示。與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)不同，加熱線圈在制造過程中考慮低離子融解效應(yīng)，同時(shí)管路的材料、樹脂部件和橡膠管也采用低離子融解的材料。

通過上述措施，相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)中的熱回路部件，經(jīng)受離子融解的部件成功在16MY中降低了75%。燃料電池冷卻系統(tǒng)中離子融解數(shù)目和09MY中保持相同水平，如下圖所示。

僅僅采取上述抑制離子融解的材料來保持較低的離子電導(dǎo)率還遠(yuǎn)遠(yuǎn)不，尤其對(duì)于長(zhǎng)期不使用的車輛，因?yàn)槿诮獾碾x子會(huì)在每個(gè)零部件里面慢慢積累，積少成多。當(dāng)車輛啟動(dòng)，短期表現(xiàn)高離子電導(dǎo)率的冷卻劑就會(huì)流入電堆，有必要主動(dòng)消除離子。因此，本田建立了一個(gè)讓冷卻劑持續(xù)進(jìn)入去離子裝置的旁路。當(dāng)去離子裝置和電堆串聯(lián)，壓降損失較大。當(dāng)去離子裝置和電堆并聯(lián)，壓降較小，冷卻水泵體積降低40%。冷卻劑持續(xù)進(jìn)入去離子裝置旁路系統(tǒng)的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)就是當(dāng)汽車處于暖機(jī)時(shí)，已經(jīng)在散熱器內(nèi)部的離子可以去除，意味著即使在暖機(jī)過程中離子從散熱器中產(chǎn)生并流動(dòng)，離子數(shù)目也可控。

下圖表示采取上述措施后燃料電池冷卻系統(tǒng)運(yùn)行過程中電導(dǎo)率的變化情況?？梢园l(fā)現(xiàn)，即使電導(dǎo)率短暫上升，系統(tǒng)也會(huì)進(jìn)行調(diào)節(jié)以保持較低的電導(dǎo)率水平。

保持低冷卻劑電導(dǎo)率的性能表現(xiàn)

從下圖可以看出，暖機(jī)過程中，積累在散熱器旁路中的融解離子在汽車啟動(dòng)時(shí)刻會(huì)立刻進(jìn)入系統(tǒng)，引起電導(dǎo)率短暫性上升。然而，由于冷卻劑可以持續(xù)進(jìn)入去離子裝置，電導(dǎo)率可以快速降低。暖機(jī)后，積累在散熱器旁路中的融解離子進(jìn)入冷卻系統(tǒng)，電導(dǎo)率再次上升。由于融解離子可以持續(xù)消除，可以再次保證系統(tǒng)較低的電導(dǎo)率水平。

燃料電池冷卻系統(tǒng)原理圖

4. 文獻(xiàn)、技術(shù)報(bào)告和專利來源

本文相關(guān)的圖片和信息均整理自本田技術(shù)報(bào)告。技術(shù)報(bào)告來源于Honda R&D Technical Review。