佛山清极能源叶长流：燃料电池水热管理技术
2018年 11 月 6-8日，第一届中国（佛山）国际绿色技术及产品推介会暨第二届中国（佛山）国际氢能与燃料电池技术及产品推介会（CHFC2018）将在佛山南海千灯湖举办。“氢听剧场”作为推介会极具特色的活动之一，将于11月6-7日在国内馆C1-11召开，旨在为氢能与燃料电池领域的前沿理念、核心技术、创新产品提供绝佳的“秀”舞台。能见App全程直播本次大会。
佛山市清极能源科技有限公司副总经理叶长流叶总出席本次大会，在“氢能与燃料电池技术议题”环节，作题为“燃料电池水热管理技术”的主旨演讲。
叶长流：大家好。我是佛山市清极能源科技有限公司负责技术方面的负责人，我们公司以燃料电池电堆和动力系统开发为核心业务，目前位于佛山市南海区。我今天的讲演主要分成几部分，核心内容在水热管理技术，后面会有我们公司的简单介绍。
燃料电池的水热管理是非常重要的，就像之前演讲嘉宾介绍的，在整个电堆设计里面，决定功率输出是由燃料电池的MEA。但是MEA决定了大的输出以后，它最多能够把它的能力释放出多少更多是取决于我的水热管理是不是做得更好。如果水热管理做得不好，我可能性能会有很大的折扣，而且我的耐久性也会受到很大影响。水热管理可以简单分为水管理和热管理。因为燃料电池本身反应是要产生水的，但是这个水的分布又不是那么均匀，我就需要做加湿。电堆经过比较大的功率运行情况下，产生的水又比较多，就需要有良好的排水手段。燃料电池产生的热量相对于传统发动机和锂电又是一个产热量比较大的发动机系统，在这个过程中散热就特别重要。另外就像大部分的汽车一样，我们都存在一个低温启动的情况，现在国际标准都是负30度的低温启动，这对燃料电池是一个比较大的挑战，因此在热管理方面是需要去研究和突破的。水热管理也是互相耦合的，有很复杂的机理，涉及到一维仿真和三维仿真，它们会共同影响燃料电池的性能和耐久性。
水管理的目的。从这一张图可以看到，跟膜的相对湿度有很重要的关系。随着膜的湿度的增加，质子的传导率是现行增加的。质子传导率又影响影响了整个MEA的输出性能，所以一个良好的水平衡可以决定整个电堆的输入、输出情况和寿命。这个图里面没有展示如果膜到了百分之百的速度以后会产生水，这个水怎么排出，如果没有良好的排水功能就有可能堵塞一些流道。通过水管理就可以把电堆的输入性能给予最大化。
在燃料电池内部也存在比较复杂的水平衡。燃料电池的水会在阴极生成，另外内部有两个作用会导致水在阳极和阴极之间进行传输，包括扩散作用，水从阴极扩散到阳极，另外水在质子电渗托拽作用下也会从阳极扩散到阴极，这两个在不同功率和不同工作条件下它的作用也是不一样的。另外燃料电池从外部也会通过增湿手段引入一部分，并且在空气和氢气排气中排出一些水，如果有发生局部膜干，就会对整个电堆产生一定的影响。
水平衡计算。这是一张基础度30千帕工况下的水平衡计算。随着电堆功率密度逐步提升，水产生量是逐步增加的。另外膜位正常工作也需要一些空气加湿和氢气加湿，这个加湿量也是逐渐上升的。右边一张图是燃料电池内部加湿到底够不够，它受很多因素的的影响。另外燃料电池工作电压提高也会提升膜里面的含水量。还有一个因素是过能系数，从这个图可以看出来，随着压力的逐步上升，为了让燃料电池产生的水刚好等于加湿器的水，它的温度可以逐步上升，这就是为什么我们我们一直推崇高压系统，这也是一个比较重要的原因。另外燃料电池化学剂量数越高的话，整个工作温度也不能太高，这两个需要做一个平衡计算的过程。通过这种计算，实际上能够得到一个比较优化的工作区间。
这一张图可以看到燃料电池在内部水平衡的关系。阴极进口的地方如果直接把环境里面的空气通过电堆，电堆一般环境温度20多度，进电堆过程中有一个加热过程，加热到60度的时候它的湿度会从百分之六七十降低到百分之二三十，这个湿度对膜来讲是非常恶劣的工作环境。反应过程沿着反应通道水逐渐产生，最后湿度会达到百分之百，而局部就会产生膜干的情况。随着反应过程中湿度达到百分之百以后，会产生大量的水，也是需要考虑一些排水的措施。
刚才喜马拉雅的谢总也提到，现在的技术也是朝着自加湿的技术发展，外部加湿器往往会占用比较大的体积，而且成本比较高，丰田自加湿的技术做了几点改进，可以把自加湿功能取消，把氢气这边的流量增加，在阳极里面有一个氢气循环，水蒸气流速是增加的，阳极和阴极又是一个反向流动的过程，阳极氢气是从上往下，阴极空气是从下往上，空气这一侧水是在它的下游产生，水在下游产生百分之百的湿度，上游水是比较少的。空气这一侧相当于在整个图的上方产生大量的水，刚好跟氢气相反，氢气入口的地方水比较少，水会从空气侧一直渗透到氢气侧，然后氢气侧再把水带下来，带到下部，下部又通过电渗托拽效应把这个水托拽到空气侧，这样就会达到一个效果，氢气侧这边通过内部循环实现加湿，空气侧这边取消外部加湿的效用。空气实际上是从上往下走的，是一个很复杂的3D动态系网格的流道，最左边的氢气是从下往上的过程，可以让空气在入口地方温度比较低，这样相对热量比较少，不容易产生膜干。这是现在的整个技术发展方向。
介绍一下热管理。燃料电池的性能取决于它的热管理，包括它的工作温度也可以影响。综合起来就是，在某一些温度区间，大概在75度到80度的时候，燃料电池输出性能是最好的。在这个温度以下，水平温度的上升，整个极化曲线是往上升的。当温度达到85度，它的整个性能是下降的。右边是一个电流密度峰值，这个峰值大概在75度到80度左右，包括80度以后它的性能是下降的。为了把燃料电池的运行控制在比较优化的空间，也要控制整个电堆的温度，另外电堆温度也不能超过整个膜运行的局限，现在质子交换膜一般的温度不希望超过100度。另外整个热管理还需要控制燃料电池内部温度的分布，所以我们做整个热管理设计的时候会要求电堆进出口的冷却水温度小于10度甚至更高，比如小于5度或者更低的温度范围内。
跟水管理的一个手段差不多的，就是热管理也需要做热平衡计算。燃料电池的热量来源有多种多样，主要来源是从氢气这边，因为氢气化学能通过燃料电池反应产生电，另外50%的热量发热，这个过程中电堆热量大概等于热效率再乘以这个系数，这个热量是比较高的，现在普遍冷却散热方法有几种，第一是冷却水，不管是用防冻液，还是用普通冷却水来冷却，另外一种方法就是尾气排放，为什么也是一种冷却方式呢？因为燃料电池产生的热，最后那个水以气态的形式排走，所以通过理论计算的话，尾气排放大概能带走30%的热量，70%左右的热量是通过冷却水排走。辐射散热相对来讲燃料电池是比较少的，因为不同于燃油发动机，燃油发动机的辐射散热更大，我们开车就知道，开完车以后前盖板非常热，因为大部分热量从这边散走。*我们做计算的时候要考虑热量、冷却泵等设备的发热量。在冷却水系统设计过程中需要关注一点，冷却水泵的流量是比较高的，因为我对它温差要求很高，散热量又很大。我在做散热设计的时候，这个散热器的体积和散热面积相对是比较大的。
低温启动。燃料电池热设计里面除了散热以外，在低温启动有很多种手段，包括停机过程中进行吹扫，把里面的水排走。第二个手段是通过阴极吹入一部分空气到阳极那边，进行氢氧催化反应，把里面的氢气排掉，防止停机以后又慢慢产生水。还有外部加热和内部加热手段也能够让它快速产热。
水热管理的设计方法，这里有一个更精细的仿真，水和热分布是不均匀的，通过二维和三维对电堆内部进行仿真，能够非常有效分析水热管理的现象。
简单介绍一下我们公司。我们公司成立于2017年，我们现在做的工作一个是电堆方面的开发，另外我们也做动力系统的集成，包括我们自己的电堆和合作伙伴的电堆进行系统集成。我们的技术开发目前做了一些电堆样机，功率密度在国内处于比较先进的水平，跟喜马拉雅做的差不多一个水平。我们团队有20多年燃料电池研发经验。整个电堆集成包括三维建模、一维仿真、三维仿真。
简单介绍一下我们现在的一些成果，我们做了燃料电池的电堆，电堆功率可以有几个平台，10千瓦、15千瓦、20千瓦和36千瓦，最高可以达到50千瓦。现在我们的低温启动可以达到负20度启动。我们做了一个燃料电池发动机，这个发动机也是根据我们自己的系统，做的一些样机，现在功率大概是30千瓦，当然还有更高的功率水平发动机正在研发过程中。
我的讲演到此结束，谢谢大家！
