浅谈氢燃料电池电动汽车布置设计

由于氢燃料电池电动汽车零排放、加氢快、续航里程长等优点，所以它被认为是未来汽车发展的终极方向，成为当前最热门的新技术之一。

本文结合作者工作实践，主要探讨FCEV的布置设计，包括电堆总成、电堆附件系统、储氢系统的布置设计。

1 电堆总成的布置设计

1.1 电堆总成简介

按照《GB/T 24548－2009燃料电池电动汽车术语》，燃料电池堆总成（简称电堆总成或电堆）是将外部供应的燃料和氧化剂中的化学能通过电化学反应直接转化为电能、热能和其它反应产物的发电装置。其结构如图1所示。

图1 燃料电池结构
Fig.1 Fuel cell structure

氢燃料电池的燃料是氢气，氧化剂是氧气，其通过电堆内部的催化剂、质子交换膜等作用产生电能、热能和水，工作的过程的化学反应如下:

阳极:H2→2H+2e-

阴极:

总反应:

可见氢燃料电堆总成一般包含电极、质子交换膜组件、空气通道、氢气通道和冷却通道，每种通道都有进出口，如图2所示。

图2 一般电堆总成接口
Fig.2 Interface of general stack assembly

1.2 布置要求

1.2.1 标准法规要求

国标GB/T 25319－2010《汽车用燃料电池发电系统技术条件》要求电堆总成的防水防尘应满足GB/T 4942.1－2006《旋转电机整体结构的防护等级（IP代码） 分级》中的IPX5或IP55，即满足喷水不损坏和进入的灰尘量不会影响正常运转。而目前大部分产品都做到IP67，即满足浸水和完成防止灰尘进入。

1.2.2 布置位置

电堆总成一般可以布置在发动机舱或车底，如图3和图4所示。

电堆总成布置在发动机舱的优点是和电堆的各附件系统距离近，管路更短，布置更紧凑。难点是发动机舱布置空间小，零件多，很难将相关系统零件都妥善布置，因此有时候会将蓄电池或DCDC等零件移出发动机舱。为了有效散热和排气,电堆总成的高度一般不超过散热器总成。电堆处于中心位置则有利于后续空气供应系统、氢气供应系统和热管理系统的布置，整体会更紧凑。


图3 电堆总成布置在发动机舱
Fig.3 The stack assembly is arranged in the engine compartment

图4 电堆总成布置在车底
Fig.4 The stack assembly is under the car

而电堆总成布置在车底的原因往往是发动机舱太过拥挤。如电堆布置在发动机舱，其他零件可能要挪到车底，比如升压DC/DC、空压机控制器、电机控制器PCU等等。权衡利弊，电堆布置在车底可能更合理。此外，电堆总成布置在车底，空间相对充裕，可便于和升压DC/DC集成。

1.2.3 电堆姿态布置

电堆在电化学反应中，阴极会生成水。这些水大部分都是水气，但有时候少部分会凝结成液态水。液态水如不能及时排出，积少成多就会堵塞空气通道或渗透到阳极，造成水淹。因此最佳的电堆姿态是让空气通道由上向下，利用重力加快排水，防止液态水堆积。而对于阳极，氢气降压散热，温度更低，在电堆入口高/低温混合导致水气凝结出水汽或水滴，也不利于氢气流通和氢气氧化反应。同理，最佳的电堆姿态是让氢气通道由上向下。如图5中的电堆，空气和氢气进口都布置在上方，出口在下方。另外为了避免车辆加减速和上下坡的影响，电堆空气和氢气的进出口都最好朝向车辆的左或右，而不要朝向车辆的前或后。

图5 电堆姿态
Fig.5 Battery stack attitude

1.3 电堆总成布置小结

可见，电堆总成布置位置主要分发动机舱和车底两大类。随着技术进步，电堆总成的尺寸逐渐减小，布置位置的趋势应该是发动机舱。而电堆的姿态最好是空气和氢气的进口在上，出口在下，朝向最好是车辆的左或右。

2 电堆附件系统的布置设计

2.1 电堆附件系统简介

电堆附件系统包含空气供应系统、氢气供应系统和热管理系统。

空气供应系统是通过各部件的过滤、增压和温度、压力调控等作用，提供适合电堆工作的氧气；氢气供应系统是通过减压和调压等作用，提供适合电堆工作的氢气；热管理系统是通过散热和加热，使电池保持在适合的工作环境。
各附件系统和燃料电池堆的布置原理如图6。

2.2 空气供应系统

2.2.1 空气供应系统简述

空气供应系统是对进入燃料电池的空气进行过滤、增压、冷却、加湿和压力调节等方面处理的系统。空气供应系统的原理如图7。


图6 电堆附件系统布置原理
Fig.6 Principle of arrangement of reactor accessory system

图7 空气供应系统原理图
Fig.7 Schematic diagram of the air supply system

2.2.2 空气系统布置要求

（1）布置优先

由于空气供应系统的空滤器总成、加湿器总成、中冷器和空气压缩机等体积较大，而且管路直径大，占据空间最多，因此应优先布置，尽量使它们紧凑缩短空气管路，节约空间。丰田Mirai的电堆布置的车底，空气管路势必较长，不但增加阻力，而且增加成本。本田CLARITY和现代NEXO的电堆都布置在发动机舱，有利于空气系统布置。

（2）减震设计

在考虑紧凑的同时也要考虑必要的减震。比如空滤器总成和空气压缩机之间的管路，由于空滤器总成一般布置固定在车身上，而空气压缩机布置固定在动力总成上，两者是相对运动部件，所以中间连接的管路最好设计成S型。再如空气压缩机和中冷器之间的管路，虽然都固定在动力总成上，但是空气压缩机是自带动力源的，会发生振动，所以其连接管路不应设计成直管（避免振动拉扯脱出）。

空气供应系统布置和组成如图8。

2.2.3 空气供应系统布置小结

空气供应系统体积较大，应优先布置，尽量紧凑，缩短管路，达到美观降本的作用；应要考虑相对运动件的管路设计，采用S型管路增大缓冲。

图8 空气供应系统布置和组成
Fig.8 Air supply system layout and composition

2.3 氢气供应系统

2.3.1 氢气供应系统简述

氢气供应系统包括车载氢系统（即储氢部分）和供氢系统（即供氢部分）。储氢部分包含加氢、储氢、减压和泄放保护，压力、温度和浓度的检测并反馈，控制氢气的输送和关闭等功能；供氢部分包含调压、循环应用和排水气等功能。氢气供应系统储氢部分和供氢部分的原理如图9和图10。

2.3.2 氢气系统布置要求

（1）车载氢系统布置

图9 供应系统储氢部分原理图
Fig.9 Supply system hydrogen storage principle

图10 供应系统供氢部分原理图
Fig.10 Supply system hydrogen supply principle

车载氢系统包括氢瓶、瓶阀、减压阀、过滤器、加氢组件和泄放组件。车载氢系统就是整车的燃料存储和输送系统，防止碰撞和刮伤是布置的重点。

氢气瓶一般布置在车辆的底部，且在车辆碰撞梁内部，防止碰撞，离地间隙要满足满载时设计要求防止刮伤，泄放管路应布置在车辆尾部，防止氢气聚集在车底。根据国标GB/T 26990－2011《燃料电池电动汽车车载氢系统技术条件》，车载氢系统的布置还需满足以下要求:①管路安装位置及走向应避免热源以及电器、蓄电池等可能产生电弧的地方，至少应有200 mm的距离；②氢气瓶和附件的安装应距离车辆的边沿至少有100 mm的距离；③氢气管的支撑点间隔＜1 m。

单个氢气瓶的车载氢系统组成如图11。

图11 车载氢系统组成
Fig.11 Vehicle hydrogen system composition

（2）供氢系统布置

供氢系统主要包含喷射器（比例阀）、氢气循环泵和水气分离器（含冲刷阀）。

供氢系统主要是电堆的燃料供应系统。为了防止电堆的水淹发生，氢气循环泵和水气分离器应布置在电堆下方，及时抽取和排出多余水气，尤其是水气分离器应在最低点。为了防止冷/热水气作用产生冷凝水汽，在氢气循环泵的输出和喷射器输出混合区域应离电堆氢气输入口较远，且中间增加混合腔和排水气模块，先预热氢气和排除多余水汽。氢气在冲刷和排气过程产生较大声音和排除多余的水气，所以在冲刷阀后增加消声器，且排气管路应布置到车辆的最尾部，避免氢气聚集在车辆底部。

氢气供应系统组成如图12。

2.3.3 氢气供应系统布置小结


图12 供氢系统组成
Fig.12 Composition of hydrogen supply system

氢气供应系统中氢气循环泵和水气分离器应布置在电堆下方，及时抽取和排水气；氢气瓶应布置在整车安全区域，防止碰撞和刮伤；泄放和排放管路应布置在车辆尾部，及时排气和氢气，避免氢气汇集在车底；各附件和管路应远离热源或产生电弧的电器件；管路和各附件固定位置要有效，防止碰撞位移和刮伤；要满足国家标准要求。

2.4 热管理系统

2.4.1 热管理系统简述

由于电堆的工作特性，其采用的冷却液必须是去离子水，且是单独一套热管理。热管理系统是通过风扇、散热器、水泵和PTC调节冷却液的温度来确保电堆获得合适的工作温度的系统。

车辆在运行过程要保证冷却液的离子浓度在规定范围内，为了满足该要求，冷却回路增加去离子器，去除冷却液中多余的离子。为保证空气输入到电堆时的温度与电堆内部的温度相近，防止冷凝水汽的产生，中冷器与电堆冷却并联，保证温度相近。根据以上工作特性，电堆热管理系统原理如图13。

2.4.2 热管理系统布置要求

电堆的工作温度范围较窄，为保持电堆的工作效率和延长寿命，有效快速地提供舒适的工作环境是必要条件。因此电堆在工作过程产生的热量和气泡要及时散去和排出，所以热管理系统应确保散热器上水势比电堆高，副水箱总成位于系统最高处。

图13 热管理系统原理图
Fig.13 Principle of thermal management system

为保证冷却液的离子量，去离子器的流量如满足冷却管路流量要求，可以布置在主回路，如不满足流量需求，去离子应与一段管路并联，且此管路要有水势差。电堆热管理系统组成如图14。

电堆的工作温度要求较严，因此各部件布置尽量紧凑，缩短管路，增大管路弯曲半径，减少流阻，加快散热和加热，达到热管理目的。

图14 热管理系统布置和组成
Fig.14 Thermal management system layout and composition

氢燃料电池电动汽车增加电堆的热管理系统，则整车的散热器增加一套，分别为空调系统的冷凝器、电驱动系统的散热器和电堆热管理的散热器。根据三个系统的散热量需求，有三种布置方式:电堆散热器、驱动散热器、空调冷凝器并排成三层，从内到外布置；二是驱动散热器和空调冷凝器并列成一层，然后电堆散热器与其并排成两层，电堆散热器在内；三是电堆散热器居中，驱动散热器和空调冷凝器倾斜并列两侧。

2.4.3 热管理布置小结

为满足电堆热管理系统的有效工作，各部件布置和管路设计过程，要保证及时散去热量和气泡。即排气口要在最上边，散热器要在电堆上方，各部件布置紧凑，整个热管理的流阻尽量小，去离子器的布置位置要满足去离子要求。

3 结论

氢燃料电池电动汽车的布置设计首先要考虑电堆的布置位置和姿态，再进行电堆附件系统布置设计，其中按管径由大到小优先顺序考虑空气供给系统、热管理系统，最后是氢气供应系统管路布置。