燃料電池汽車未來如何？燃料電池結(jié)構(gòu)及技術(shù)解讀！
來源：寶鄂實(shí)業(yè)
2019-03-14 10:56
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燃料電池不僅可以解決鋰電池續(xù)航里程焦慮及快速補(bǔ)充能源的問題，還可以提升化學(xué)能轉(zhuǎn)化率及利用率，但卻受制于電池成本、氫氣儲(chǔ)存安全及加氫基礎(chǔ)設(shè)施三大因素，那么燃料電池汽車未來如何？
1、燃料電池結(jié)構(gòu)如何？
燃料電池主要有電極、電解質(zhì)膜和集電器三個(gè)部分組成，電極分為陽極和陰級(jí)，它是燃料發(fā)生氧化效應(yīng)和氧化劑發(fā)生還原反應(yīng)的電化學(xué)反應(yīng)場所，其性能好壞取決于觸媒性能、電極材料和電機(jī)制程,設(shè)計(jì)以多孔結(jié)構(gòu)為主，以增加參與反應(yīng)的電極面積;
電解質(zhì)膜功能在于分隔氧化劑和還原劑，并傳導(dǎo)離子，因此在兼顧強(qiáng)度同時(shí)越薄越好，當(dāng)前技術(shù)厚度可達(dá)幾十毫米至幾百毫米不等，技術(shù)材質(zhì)上有兩個(gè)方向，其一是以石綿模、碳化硅膜、鋁酸鋰膜等絕緣材料制成多孔隔膜;其二是全氟磺酸樹脂及YSZ：集電器則是用于收集電流，其性能取決于材料設(shè)計(jì)、流場設(shè)計(jì)及加工技術(shù)（本文屬于原創(chuàng)，貓視汽車首發(fā)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明）。
2、燃料電池技術(shù)原理如何？
燃料電池是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)為電能的裝置，通過供給劑系統(tǒng)輸入燃料氣體和氧化劑氣體，在電極發(fā)生陽極反應(yīng)、陰極反應(yīng)和電池反應(yīng)，然后通過電解質(zhì)膜傳送電離子給集電器產(chǎn)生電流，由電能控制系統(tǒng)導(dǎo)出電流，由排水系統(tǒng)導(dǎo)出水，因此燃料電池通常需要配備相應(yīng)的輔助系統(tǒng)才能工作，如反應(yīng)劑供給系統(tǒng)、排熱系統(tǒng)、排水系統(tǒng)、電能控制系統(tǒng)及安全裝置等，其不同類別燃料電池反應(yīng)如下：
3、燃料電池應(yīng)用領(lǐng)域如何？
燃料電池最早應(yīng)用于軍事、空間及分散式發(fā)電廠，后期逐步擴(kuò)展到機(jī)動(dòng)車、移動(dòng)設(shè)備及家庭用電等民用領(lǐng)域，AFC主要為航天飛機(jī)提供動(dòng)力和飲用水，PEMFC用于交通動(dòng)力及小型電源裝置，PAFC則可作為中型電源商用，MCFC已完成工業(yè)試驗(yàn)階段，SOFC則是燃料電池研發(fā)方向，也是未來大規(guī)模清潔發(fā)電站的首選。
燃料電池被大眾所熟知，離不開能源政策及車企聯(lián)合推動(dòng)下的電動(dòng)汽車應(yīng)用，它在電池壽命、充氣速度、化學(xué)能轉(zhuǎn)化高效等方面優(yōu)勢，有效的解決鋰電池續(xù)航里程的問題，特斯拉電動(dòng)汽車目標(biāo)就是鋰電池和氫氧空氣電池結(jié)合的混合動(dòng)力汽車，其續(xù)航里程可達(dá)640公里，但是其在電池成本、氫氣儲(chǔ)存安全性及充氣基礎(chǔ)設(shè)施的不足明顯（本文屬于原創(chuàng)，貓視汽車首發(fā)，轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明）。
4、燃料電池汽車未來如何？
根據(jù)國際能源署展望，歐美日韓為了實(shí)現(xiàn)2度的溫控目標(biāo)，2050年燃料電池汽車保有量將達(dá)到1億臺(tái)，占比約30%，日韓車企已經(jīng)在2013-2016率先推出量產(chǎn)燃料電池汽車車型，歐美車企則預(yù)計(jì)在2018年推出量產(chǎn)燃料電池汽車車型，全球燃料電池汽車拐點(diǎn)將于2020-2025年出現(xiàn)。
我國燃料電池在2016-2020的發(fā)展可借鑒2009-2014鋰電池的發(fā)展路徑，技術(shù)由不成熟接近商用，成本有大幅下降的空間，產(chǎn)業(yè)推廣有示范運(yùn)行過渡到商業(yè)推廣，預(yù)計(jì)2017年的燃料電池汽車產(chǎn)銷量可達(dá)1000臺(tái)，到2020年保有量可達(dá)1.5萬臺(tái)，對(duì)應(yīng)市場規(guī)模為60-70億元，包括電池、電機(jī)、電控、整車、氫瓶及上游的制氫基礎(chǔ)建設(shè)
新能源汽車動(dòng)力電池作為汽車的動(dòng)力源，其充電、放電的發(fā)熱會(huì)一直存在。動(dòng)力電池的性能和電池溫度密切相關(guān)。
為了盡可能延長動(dòng)力電池的使用壽命并獲得最大功率，需在規(guī)定溫度范圍內(nèi)使用蓄電池。原則上在-40℃至+55℃范圍內(nèi)（實(shí)際電池溫度）動(dòng)力電池單元處于可運(yùn)行狀態(tài)。因此目前新能源的動(dòng)力電池單元都裝有冷卻裝置。
動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)有空調(diào)循環(huán)冷卻式、水冷式和風(fēng)冷式。
1.空調(diào)循環(huán)冷卻式
在高端電動(dòng)汽車中動(dòng)力電池內(nèi)部有與空調(diào)系統(tǒng)連通的制冷劑循環(huán)回路。BMW X1 xDrive 25Le（F49 PHEV）插電式混動(dòng)車型動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)如下圖所示。
動(dòng)力電池單元直接通過冷卻液進(jìn)行冷卻，冷卻液循環(huán)回路與制冷劑循環(huán)回路通過冷卻液制冷劑熱交換器（即冷卻單元）連接。因此，空調(diào)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)回路由兩個(gè)并聯(lián)支路構(gòu)成。一個(gè)用于冷卻車內(nèi)空間，一個(gè)用于冷卻動(dòng)力電池單元。兩個(gè)支路各有一個(gè)膨脹和截止組合閥，兩個(gè)相互獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)圖示如下圖所示。
電動(dòng)冷卻液泵通過冷卻液循環(huán)回路輸送冷卻液。只要冷卻液的溫度低于電池模塊，僅利用冷卻液的循環(huán)流動(dòng)便可冷卻電池模塊。冷卻液溫度上升，不足以使電池模塊的溫度保持在預(yù)期范圍內(nèi)。
因此必須要降低冷卻液的溫度，需借助冷卻液制冷劑熱交換器（即冷卻單元）。這是介于動(dòng)力電池冷卻液循環(huán)回路與空調(diào)系統(tǒng)制冷劑循環(huán)回路之間的接口。
如冷卻單元上的膨脹和截止組合閥使用電氣方式啟用并打開，液態(tài)制冷劑將流入冷卻單元并蒸發(fā)。這樣可吸收環(huán)境空氣熱量，因此也是一種流經(jīng)冷卻液循環(huán)回路的冷卻液。電動(dòng)空調(diào)壓縮機(jī)（EKK）再次壓縮制冷劑并輸送至電容器，制冷劑在此重新變?yōu)橐后w狀態(tài)。因此制冷劑可再次吸收熱量。
為了確保冷卻液通道排出電池模塊熱量，必須以均勻分布的作用力將冷卻通道整個(gè)平面壓到電池模塊上。通過嵌入冷卻液通道的彈簧條產(chǎn)生該壓緊力。針對(duì)電池模塊幾何形狀和下半部分殼體對(duì)彈簧條進(jìn)行了相應(yīng)調(diào)節(jié)。
熱交換器的彈簧條支撐在高電壓蓄電池單元的殼體下部件上，從而將冷卻液通道壓到電池模塊上。
動(dòng)力電池單元冷卻液循環(huán)回路內(nèi)的電動(dòng)冷卻液泵額定功率為50W。電動(dòng)冷卻液泵利用冷卻單元上的支架固定，其安裝于動(dòng)力電池的右后角。
冷卻液膨脹箱和冷卻液管路如下圖所示。
水冷式動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)是使用特殊的冷卻液在動(dòng)力電池內(nèi)部的冷卻液管路中流動(dòng)，將動(dòng)力電池產(chǎn)生的熱量傳遞給冷卻液，從而降低動(dòng)力電池的溫度。下面以榮威E50電動(dòng)汽車為例介紹動(dòng)力水冷式冷卻系統(tǒng)。
榮威E50冷卻系統(tǒng)分為2個(gè)獨(dú)立的系統(tǒng)，分別是逆變器（PEB）/驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)、高壓電池包冷卻系統(tǒng)（ESS）。
榮威E50動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示，主要有膨脹水箱、軟管、冷卻水泵、電池冷卻器等組成。
冷卻系統(tǒng)利用熱傳導(dǎo)的原理，通過冷卻液在各個(gè)獨(dú)立的冷卻系統(tǒng)回路中循環(huán)，使驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)、逆變器（PEB）和動(dòng)力電池包保持在最佳的工作溫度。冷卻液是50%的水和50%的有機(jī)酸技術(shù)（OAT）的混合物。冷卻液要定期更換才能保持其最佳效率和耐腐蝕性。
膨脹水箱裝有泄壓閥，安裝在逆變器（PEB）托盤上，溢流管連接到電池冷卻器的出液管上，出液管連接在冷卻水管三通上。膨脹水箱外部帶有“MAX”和“MIN”刻度標(biāo)示，便于觀察冷卻液液位。
橡膠冷卻液軟管在各組件間傳送冷卻液，彈簧卡箍將軟管固定到各組件上。動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)（ESS）軟管布置在前艙內(nèi)和后地板總成下。
動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)冷卻液泵通過安裝支架，并由2個(gè)螺栓固定在車身底盤上，經(jīng)由其運(yùn)轉(zhuǎn)來循環(huán)高壓電池包冷卻系統(tǒng)。
電池冷卻器（Chiller）是動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)的一個(gè)關(guān)鍵部件，它負(fù)責(zé)將動(dòng)力電池維持在一個(gè)適當(dāng)?shù)墓ぷ鳒囟?，使?dòng)力電池的放電性能處于最佳狀態(tài)。電池冷卻器（Chiller）主要由熱交換器，帶電磁閥的膨脹閥（TXV），管路接口和支架組成。熱交換器主要用于動(dòng)力電池冷卻液和制冷系統(tǒng)的制冷劑的熱交換，將動(dòng)力電池冷卻液中的熱量轉(zhuǎn)移到制冷劑中。
動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)冷卻液循環(huán)如下圖所示。
BMS負(fù)責(zé)控制電動(dòng)水泵，電動(dòng)水泵會(huì)在高壓電池包溫度上升到32.5℃時(shí)開啟，在溫度低于27.5℃時(shí)關(guān)閉，BMS發(fā)出要求電池冷卻器膨脹閥關(guān)閉和水泵運(yùn)轉(zhuǎn)的信號(hào)。
ETC收到來自BMS的膨脹閥電磁閥開啟的信號(hào)要求，ETC首先打開電池冷卻器（Chiller）膨脹閥的電磁閥，并給EAC發(fā)啟動(dòng)信號(hào)。高壓電池組最適宜溫度值為20℃~30℃。
正常工作時(shí)，當(dāng)高壓電池組的冷卻液溫度在30℃以上時(shí)，ETC會(huì)限制乘客艙制冷量，冷卻液溫度在48℃以上，ETC會(huì)關(guān)閉乘客艙制冷功能，但除霜模式除外。
ETC只控制冷卻液溫度。BMS控制冷卻液與BMS高壓電池包內(nèi)部的熱量交換。
當(dāng)車輛進(jìn)入快速充電模式時(shí)，ETC會(huì)被網(wǎng)關(guān)模塊喚醒，此時(shí)高壓電池包冷卻系統(tǒng)進(jìn)入正常工作狀態(tài)。
