由于氫燃料電池電動(dòng)汽車零排放、加氫快、續(xù)航里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，所以它被認(rèn)為是未來汽車發(fā)展的終極方向，成為當(dāng)前最熱門的新技術(shù)之一。

本文結(jié)合作者工作實(shí)踐，主要探討FCEV的布置設(shè)計(jì)，包括電堆總成、電堆附件系統(tǒng)、儲(chǔ)氫系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)。

1 電堆總成的布置設(shè)計(jì)

1.1 電堆總成簡(jiǎn)介

按照《GB/T 24548－2009燃料電池電動(dòng)汽車術(shù)語》，燃料電池堆總成（簡(jiǎn)稱電堆總成或電堆）是將外部供應(yīng)的燃料和氧化劑中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能、熱能和其它反應(yīng)產(chǎn)物的發(fā)電裝置。其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 燃料電池結(jié)構(gòu)
Fig.1 Fuel cell structure

氫燃料電池的燃料是氫氣，氧化劑是氧氣，其通過電堆內(nèi)部的催化劑、質(zhì)子交換膜等作用產(chǎn)生電能、熱能和水，工作的過程的化學(xué)反應(yīng)如下:

陽極:H2→2H+2e-

陰極:

總反應(yīng):

可見氫燃料電堆總成一般包含電極、質(zhì)子交換膜組件、空氣通道、氫氣通道和冷卻通道，每種通道都有進(jìn)出口，如圖2所示。

圖2 一般電堆總成接口
Fig.2 Interface of general stack assembly

1.2 布置要求

1.2.1 標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)要求

國(guó)標(biāo)GB/T 25319－2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術(shù)條件》要求電堆總成的防水防塵應(yīng)滿足GB/T 4942.1－2006《旋轉(zhuǎn)電機(jī)整體結(jié)構(gòu)的防護(hù)等級(jí)（IP代碼） 分級(jí)》中的IPX5或IP55，即滿足噴水不損壞和進(jìn)入的灰塵量不會(huì)影響正常運(yùn)轉(zhuǎn)。而目前大部分產(chǎn)品都做到IP67，即滿足浸水和完成防止灰塵進(jìn)入。

1.2.2 布置位置

電堆總成一般可以布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙或車底，如圖3和圖4所示。

電堆總成布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙的優(yōu)點(diǎn)是和電堆的各附件系統(tǒng)距離近，管路更短，布置更緊湊。難點(diǎn)是發(fā)動(dòng)機(jī)艙布置空間小，零件多，很難將相關(guān)系統(tǒng)零件都妥善布置，因此有時(shí)候會(huì)將蓄電池或DCDC等零件移出發(fā)動(dòng)機(jī)艙。為了有效散熱和排氣,電堆總成的高度一般不超過散熱器總成。電堆處于中心位置則有利于后續(xù)空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的布置，整體會(huì)更緊湊。


圖3 電堆總成布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙
Fig.3 The stack assembly is arranged in the engine compartment

圖4 電堆總成布置在車底
Fig.4 The stack assembly is under the car

而電堆總成布置在車底的原因往往是發(fā)動(dòng)機(jī)艙太過擁擠。如電堆布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，其他零件可能要挪到車底，比如升壓DC/DC、空壓機(jī)控制器、電機(jī)控制器PCU等等。權(quán)衡利弊，電堆布置在車底可能更合理。此外，電堆總成布置在車底，空間相對(duì)充裕，可便于和升壓DC/DC集成。

1.2.3 電堆姿態(tài)布置

電堆在電化學(xué)反應(yīng)中，陰極會(huì)生成水。這些水大部分都是水氣，但有時(shí)候少部分會(huì)凝結(jié)成液態(tài)水。液態(tài)水如不能及時(shí)排出，積少成多就會(huì)堵塞空氣通道或滲透到陽極，造成水淹。因此最佳的電堆姿態(tài)是讓空氣通道由上向下，利用重力加快排水，防止液態(tài)水堆積。而對(duì)于陽極，氫氣降壓散熱，溫度更低，在電堆入口高/低溫混合導(dǎo)致水氣凝結(jié)出水汽或水滴，也不利于氫氣流通和氫氣氧化反應(yīng)。同理，最佳的電堆姿態(tài)是讓氫氣通道由上向下。如圖5中的電堆，空氣和氫氣進(jìn)口都布置在上方，出口在下方。另外為了避免車輛加減速和上下坡的影響，電堆空氣和氫氣的進(jìn)出口都最好朝向車輛的左或右，而不要朝向車輛的前或后。

圖5 電堆姿態(tài)
Fig.5 Battery stack attitude

1.3 電堆總成布置小結(jié)

可見，電堆總成布置位置主要分發(fā)動(dòng)機(jī)艙和車底兩大類。隨著技術(shù)進(jìn)步，電堆總成的尺寸逐漸減小，布置位置的趨勢(shì)應(yīng)該是發(fā)動(dòng)機(jī)艙。而電堆的姿態(tài)最好是空氣和氫氣的進(jìn)口在上，出口在下，朝向最好是車輛的左或右。

2 電堆附件系統(tǒng)的布置設(shè)計(jì)

2.1 電堆附件系統(tǒng)簡(jiǎn)介

電堆附件系統(tǒng)包含空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)是通過各部件的過濾、增壓和溫度、壓力調(diào)控等作用，提供適合電堆工作的氧氣；氫氣供應(yīng)系統(tǒng)是通過減壓和調(diào)壓等作用，提供適合電堆工作的氫氣；熱管理系統(tǒng)是通過散熱和加熱，使電池保持在適合的工作環(huán)境。
各附件系統(tǒng)和燃料電池堆的布置原理如圖6。

2.2 空氣供應(yīng)系統(tǒng)

2.2.1 空氣供應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

空氣供應(yīng)系統(tǒng)是對(duì)進(jìn)入燃料電池的空氣進(jìn)行過濾、增壓、冷卻、加濕和壓力調(diào)節(jié)等方面處理的系統(tǒng)?？諝夤?yīng)系統(tǒng)的原理如圖7。


圖6 電堆附件系統(tǒng)布置原理
Fig.6 Principle of arrangement of reactor accessory system

圖7 空氣供應(yīng)系統(tǒng)原理圖
Fig.7 Schematic diagram of the air supply system

2.2.2 空氣系統(tǒng)布置要求

（1）布置優(yōu)先

由于空氣供應(yīng)系統(tǒng)的空濾器總成、加濕器總成、中冷器和空氣壓縮機(jī)等體積較大，而且管路直徑大，占據(jù)空間最多，因此應(yīng)優(yōu)先布置，盡量使它們緊湊縮短空氣管路，節(jié)約空間。豐田Mirai的電堆布置的車底，空氣管路勢(shì)必較長(zhǎng)，不但增加阻力，而且增加成本。本田CLARITY和現(xiàn)代NEXO的電堆都布置在發(fā)動(dòng)機(jī)艙，有利于空氣系統(tǒng)布置。

（2）減震設(shè)計(jì)

在考慮緊湊的同時(shí)也要考慮必要的減震。比如空濾器總成和空氣壓縮機(jī)之間的管路，由于空濾器總成一般布置固定在車身上，而空氣壓縮機(jī)布置固定在動(dòng)力總成上，兩者是相對(duì)運(yùn)動(dòng)部件，所以中間連接的管路最好設(shè)計(jì)成S型。再如空氣壓縮機(jī)和中冷器之間的管路，雖然都固定在動(dòng)力總成上，但是空氣壓縮機(jī)是自帶動(dòng)力源的，會(huì)發(fā)生振動(dòng)，所以其連接管路不應(yīng)設(shè)計(jì)成直管（避免振動(dòng)拉扯脫出）。

空氣供應(yīng)系統(tǒng)布置和組成如圖8。

2.2.3 空氣供應(yīng)系統(tǒng)布置小結(jié)

空氣供應(yīng)系統(tǒng)體積較大，應(yīng)優(yōu)先布置，盡量緊湊，縮短管路，達(dá)到美觀降本的作用；應(yīng)要考慮相對(duì)運(yùn)動(dòng)件的管路設(shè)計(jì)，采用S型管路增大緩沖。

圖8 空氣供應(yīng)系統(tǒng)布置和組成
Fig.8 Air supply system layout and composition

2.3 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)

2.3.1 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)簡(jiǎn)述

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)包括車載氫系統(tǒng)（即儲(chǔ)氫部分）和供氫系統(tǒng)（即供氫部分）。儲(chǔ)氫部分包含加氫、儲(chǔ)氫、減壓和泄放保護(hù)，壓力、溫度和濃度的檢測(cè)并反饋，控制氫氣的輸送和關(guān)閉等功能；供氫部分包含調(diào)壓、循環(huán)應(yīng)用和排水氣等功能。氫氣供應(yīng)系統(tǒng)儲(chǔ)氫部分和供氫部分的原理如圖9和圖10。

2.3.2 氫氣系統(tǒng)布置要求

（1）車載氫系統(tǒng)布置

圖9 供應(yīng)系統(tǒng)儲(chǔ)氫部分原理圖
Fig.9 Supply system hydrogen storage principle

圖10 供應(yīng)系統(tǒng)供氫部分原理圖
Fig.10 Supply system hydrogen supply principle

車載氫系統(tǒng)包括氫瓶、瓶閥、減壓閥、過濾器、加氫組件和泄放組件。車載氫系統(tǒng)就是整車的燃料存儲(chǔ)和輸送系統(tǒng)，防止碰撞和刮傷是布置的重點(diǎn)。

氫氣瓶一般布置在車輛的底部，且在車輛碰撞梁內(nèi)部，防止碰撞，離地間隙要滿足滿載時(shí)設(shè)計(jì)要求防止刮傷，泄放管路應(yīng)布置在車輛尾部，防止氫氣聚集在車底。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 26990－2011《燃料電池電動(dòng)汽車車載氫系統(tǒng)技術(shù)條件》，車載氫系統(tǒng)的布置還需滿足以下要求:①管路安裝位置及走向應(yīng)避免熱源以及電器、蓄電池等可能產(chǎn)生電弧的地方，至少應(yīng)有200 mm的距離；②氫氣瓶和附件的安裝應(yīng)距離車輛的邊沿至少有100 mm的距離；③氫氣管的支撐點(diǎn)間隔＜1 m。

單個(gè)氫氣瓶的車載氫系統(tǒng)組成如圖11。

圖11 車載氫系統(tǒng)組成
Fig.11 Vehicle hydrogen system composition

（2）供氫系統(tǒng)布置

供氫系統(tǒng)主要包含噴射器（比例閥）、氫氣循環(huán)泵和水氣分離器（含沖刷閥）。

供氫系統(tǒng)主要是電堆的燃料供應(yīng)系統(tǒng)。為了防止電堆的水淹發(fā)生，氫氣循環(huán)泵和水氣分離器應(yīng)布置在電堆下方，及時(shí)抽取和排出多余水氣，尤其是水氣分離器應(yīng)在最低點(diǎn)。為了防止冷/熱水氣作用產(chǎn)生冷凝水汽，在氫氣循環(huán)泵的輸出和噴射器輸出混合區(qū)域應(yīng)離電堆氫氣輸入口較遠(yuǎn)，且中間增加混合腔和排水氣模塊，先預(yù)熱氫氣和排除多余水汽。氫氣在沖刷和排氣過程產(chǎn)生較大聲音和排除多余的水氣，所以在沖刷閥后增加消聲器，且排氣管路應(yīng)布置到車輛的最尾部，避免氫氣聚集在車輛底部。

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)組成如圖12。

2.3.3 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)布置小結(jié)


圖12 供氫系統(tǒng)組成
Fig.12 Composition of hydrogen supply system

氫氣供應(yīng)系統(tǒng)中氫氣循環(huán)泵和水氣分離器應(yīng)布置在電堆下方，及時(shí)抽取和排水氣；氫氣瓶應(yīng)布置在整車安全區(qū)域，防止碰撞和刮傷；泄放和排放管路應(yīng)布置在車輛尾部，及時(shí)排氣和氫氣，避免氫氣匯集在車底；各附件和管路應(yīng)遠(yuǎn)離熱源或產(chǎn)生電弧的電器件；管路和各附件固定位置要有效，防止碰撞位移和刮傷；要滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.4 熱管理系統(tǒng)

2.4.1 熱管理系統(tǒng)簡(jiǎn)述

由于電堆的工作特性，其采用的冷卻液必須是去離子水，且是單獨(dú)一套熱管理。熱管理系統(tǒng)是通過風(fēng)扇、散熱器、水泵和PTC調(diào)節(jié)冷卻液的溫度來確保電堆獲得合適的工作溫度的系統(tǒng)。

車輛在運(yùn)行過程要保證冷卻液的離子濃度在規(guī)定范圍內(nèi)，為了滿足該要求，冷卻回路增加去離子器，去除冷卻液中多余的離子。為保證空氣輸入到電堆時(shí)的溫度與電堆內(nèi)部的溫度相近，防止冷凝水汽的產(chǎn)生，中冷器與電堆冷卻并聯(lián)，保證溫度相近。根據(jù)以上工作特性，電堆熱管理系統(tǒng)原理如圖13。

2.4.2 熱管理系統(tǒng)布置要求

電堆的工作溫度范圍較窄，為保持電堆的工作效率和延長(zhǎng)壽命，有效快速地提供舒適的工作環(huán)境是必要條件。因此電堆在工作過程產(chǎn)生的熱量和氣泡要及時(shí)散去和排出，所以熱管理系統(tǒng)應(yīng)確保散熱器上水勢(shì)比電堆高，副水箱總成位于系統(tǒng)最高處。

圖13 熱管理系統(tǒng)原理圖
Fig.13 Principle of thermal management system

為保證冷卻液的離子量，去離子器的流量如滿足冷卻管路流量要求，可以布置在主回路，如不滿足流量需求，去離子應(yīng)與一段管路并聯(lián)，且此管路要有水勢(shì)差。電堆熱管理系統(tǒng)組成如圖14。

電堆的工作溫度要求較嚴(yán)，因此各部件布置盡量緊湊，縮短管路，增大管路彎曲半徑，減少流阻，加快散熱和加熱，達(dá)到熱管理目的。

圖14 熱管理系統(tǒng)布置和組成
Fig.14 Thermal management system layout and composition

氫燃料電池電動(dòng)汽車增加電堆的熱管理系統(tǒng)，則整車的散熱器增加一套，分別為空調(diào)系統(tǒng)的冷凝器、電驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的散熱器和電堆熱管理的散熱器。根據(jù)三個(gè)系統(tǒng)的散熱量需求，有三種布置方式:電堆散熱器、驅(qū)動(dòng)散熱器、空調(diào)冷凝器并排成三層，從內(nèi)到外布置；二是驅(qū)動(dòng)散熱器和空調(diào)冷凝器并列成一層，然后電堆散熱器與其并排成兩層，電堆散熱器在內(nèi)；三是電堆散熱器居中，驅(qū)動(dòng)散熱器和空調(diào)冷凝器傾斜并列兩側(cè)。

2.4.3 熱管理布置小結(jié)

為滿足電堆熱管理系統(tǒng)的有效工作，各部件布置和管路設(shè)計(jì)過程，要保證及時(shí)散去熱量和氣泡。即排氣口要在最上邊，散熱器要在電堆上方，各部件布置緊湊，整個(gè)熱管理的流阻盡量小，去離子器的布置位置要滿足去離子要求。

3 結(jié)論

氫燃料電池電動(dòng)汽車的布置設(shè)計(jì)首先要考慮電堆的布置位置和姿態(tài)，再進(jìn)行電堆附件系統(tǒng)布置設(shè)計(jì)，其中按管徑由大到小優(yōu)先順序考慮空氣供給系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)，最后是氫氣供應(yīng)系統(tǒng)管路布置。