电池的温湿度控制对于性能和耐久至关重要。湿度和温度耦合影响质子传导率，进而影响性能。同时，温湿度及其交变也会影响电池寿命。本文分享本田第二代燃料电池系统的空气热管理方案。
图1 本田第二代燃料电池系统(与通用联合开发)
相比上一代，本田新一代燃料电池系统在成本、耐久性和低温启动能力方面做出了巨大进步。通过采用创新的电极材料、密封结构(Metal seal)进步、系统BOP简化和电堆生产效率提升，新一代燃料电池系统成本降低了2/3。通过添加抗腐蚀材料(如铈)和衰减抑制控制技术，寿命提升超过2倍。通过降低空气流量提升产热量，低温启动时间缩短90%左右(@-20℃)。本文分享本田新一代燃料电池系统的空气热管理方案。
图2 本田第二代燃料电池空气供应系统第二热交换器
燃料电池空气供应系统的温湿度控制对于性能和耐久至关重要。加湿量对于电解质的质子传导率起着决定性作用。和上一代一样，本田新一代燃料电池系统采用空气加湿器维持电池良好湿润。同时，通过电池温度和进堆空气温度调控进一步优化电池湿润水平。下图为进堆空气温度、压力和湿度关系。可以看出，当压力提升和温度降低，湿润水平向右下角区域移动，提升了加湿量。即使压力维持在较低区间，降低气体温度也会使得湿润水平在适宜水平。
图3 压力、温度和湿度关系
新一代燃料电池系统空气路的变化主要有以下几个方面。首先，通过比上一代燃料电池空压机转速提升50%，本田将新一代的两级压缩式空压机简化为单级离心式空压机。由于电堆可运行在高湿度条件下，取消了上一代的加湿器旁路阀。此外，由于采用新型的控制技术，空气系统的EGR阀也被取消。为对空气进行精确的温湿度控制，本田第二代燃料电池空气供应系统设计了共计3个热交换器，以便快速对进堆空气进行升降温，以下将展开分析。
图4 本田第二代燃料电池空气供应系统流路
上图4展示了本田第二代燃料电池空气供应系统的前向视图。空气自空压机压缩后，首先经过分支部接头，空气经过平均分配后分流成两路空气，两路空气分别进入到两个换热器，如上图4(b)。由于两个换热器在燃料电池系统的第二冷却系统上，故称之为第二换热器。在第二换热器中经过与冷却液充分换热后，空气从各自换热器出来，经过合流部接头汇总成一路空气，如上图4(c)。
图5 本田第二代燃料电池空气供应系统流路
在经过图4所示的合流部汇总成一路空气后，再进入到第一换热器，如上图5所示。由于该换热器在燃料电池系统的第一冷却系统上，故称之为第一换热器。在第一换热器中空气和第一冷却系统中冷却液再次换热后，空气从第一换热器出发，最终进入电堆。据公开信息显示，为避免密集布置第一冷却系和第二冷却系进而提升可搭载性，第一换热器和第二换热器分别布置在电堆的进气端和盲端。此外，为提升耐冲击性，空气侧较为柔软的管路布置在系统的外围以吸收碰撞，较为坚硬的冷却系管路则布置在系统内侧。
图6 本田第二代燃料电池空气供应系统热管理方案
上图6展示了本田第二代燃料电池空气供应系统热管理的示意图。可以看到，两个第二换热器在空气路上并联配置，但在冷却路上串联配置。空气路并联配置换热器，一方面可以有效降低压降，即在单个换热器空气流量相同的情况下，并联配置压降降低一半。另一方面，空气路并联配置可以有效提升换热性能。与空气路优先抑制压损相比，冷却路优先考虑以少分支有效将冷却水供应至两个第二换热器，因此串联配置。
图7 换热器串并联配置效果对比
除空气路上述措施外，本田使用基于模型评价方法估算供应到燃料电池的空气中水蒸气量，并使用电子节温器和加湿器来实现基于该模型的最优湿度控制。这项技术实现了更精确的控制——降低电堆温度以增加湿度，增加温度以降低湿度，这种温湿度的精确控制使得新一代系统能够稳定发电。与上一代相比，新一代系统增加了加湿量来防止电池衰减，进一步提高耐久性，如下图所示。
图8 上一代和新一代燃料电池工作湿度对比
为了提升低温环境下燃料电池启动和运行可靠性，本田使用上述的多换热器方案可实现对进堆空气的加热，降低了电堆入口的空气冷凝量，提升了低温启动性能。结合阴极降低空气量的产热方法，本田新一代燃料电池的低温启动时间可缩短90%左右。
文章来源：燃料电池干货
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