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

本文結合作者工作實踐，主要探討FCEV的布置設計，包括電堆總成、電堆附件系統(tǒng)、儲氫系統(tǒng)的布置設計。

1 電堆總成的布置設計

1.1 電堆總成簡介

按照《GB/T 24548－2009燃料電池電動汽車術語》，燃料電池堆總成（簡稱電堆總成或電堆）是將外部供應的燃料和氧化劑中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能、熱能和其它反應產物的發(fā)電裝置。其結構如圖1所示。

圖1 燃料電池結構
Fig.1 Fuel cell structure

氫燃料電池的燃料是氫氣，氧化劑是氧氣，其通過電堆內部的催化劑、質子交換膜等作用產生電能、熱能和水，工作的過程的化學反應如下:

陽極:H2→2H+2e-

陰極:

總反應:

可見氫燃料電堆總成一般包含電極、質子交換膜組件、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 標準法規(guī)要求

國標GB/T 25319－2010《汽車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)技術條件》要求電堆總成的防水防塵應滿足GB/T 4942.1－2006《旋轉電機整體結構的防護等級（IP代碼） 分級》中的IPX5或IP55，即滿足噴水不損壞和進入的灰塵量不會影響正常運轉。而目前大部分產品都做到IP67，即滿足浸水和完成防止灰塵進入。

1.2.2 布置位置

電堆總成一般可以布置在發(fā)動機艙或車底，如圖3和圖4所示。

電堆總成布置在發(fā)動機艙的優(yōu)點是和電堆的各附件系統(tǒng)距離近，管路更短，布置更緊湊。難點是發(fā)動機艙布置空間小，零件多，很難將相關系統(tǒng)零件都妥善布置，因此有時候會將蓄電池或DCDC等零件移出發(fā)動機艙。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)空氣供應系統(tǒng)、氫氣供應系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)的布置，整體會更緊湊。


圖3 電堆總成布置在發(fā)動機艙
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)動機艙太過擁擠。如電堆布置在發(fā)動機艙，其他零件可能要挪到車底，比如升壓DC/DC、空壓機控制器、電機控制器PCU等等。權衡利弊，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

電堆在電化學反應中，陰極會生成水。這些水大部分都是水氣，但有時候少部分會凝結成液態(tài)水。液態(tài)水如不能及時排出，積少成多就會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。而對于陽極，氫氣降壓散熱，溫度更低，在電堆入口高/低溫混合導致水氣凝結出水汽或水滴，也不利于氫氣流通和氫氣氧化反應。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

可見，電堆總成布置位置主要分發(fā)動機艙和車底兩大類。隨著技術進步，電堆總成的尺寸逐漸減小，布置位置的趨勢應該是發(fā)動機艙。而電堆的姿態(tài)最好是空氣和氫氣的進口在上，出口在下，朝向最好是車輛的左或右。

2 電堆附件系統(tǒng)的布置設計

2.1 電堆附件系統(tǒng)簡介

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

空氣供應系統(tǒng)是通過各部件的過濾、增壓和溫度、壓力調控等作用，提供適合電堆工作的氧氣；氫氣供應系統(tǒng)是通過減壓和調壓等作用，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 空氣供應系統(tǒng)

2.2.1 空氣供應系統(tǒng)簡述

空氣供應系統(tǒng)是對進入燃料電池的空氣進行過濾、增壓、冷卻、加濕和壓力調節(jié)等方面處理的系統(tǒng)?？諝夤到y(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

由于空氣供應系統(tǒng)的空濾器總成、加濕器總成、中冷器和空氣壓縮機等體積較大，而且管路直徑大，占據空間最多，因此應優(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，空氣管路勢必較長，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)動機艙，有利于空氣系統(tǒng)布置。

（2）減震設計

在考慮緊湊的同時也要考慮必要的減震。比如空濾器總成和空氣壓縮機之間的管路，由于空濾器總成一般布置固定在車身上，而空氣壓縮機布置固定在動力總成上，兩者是相對運動部件，所以中間連接的管路最好設計成S型。再如空氣壓縮機和中冷器之間的管路，雖然都固定在動力總成上，但是空氣壓縮機是自帶動力源的，會發(fā)生振動，所以其連接管路不應設計成直管（避免振動拉扯脫出）。

空氣供應系統(tǒng)布置和組成如圖8。

2.2.3 空氣供應系統(tǒng)布置小結

空氣供應系統(tǒng)體積較大，應優(yōu)先布置，盡量緊湊，縮短管路，達到美觀降本的作用；應要考慮相對運動件的管路設計，采用S型管路增大緩沖。

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

2.3 氫氣供應系統(tǒng)

2.3.1 氫氣供應系統(tǒng)簡述

氫氣供應系統(tǒng)包括車載氫系統(tǒng)（即儲氫部分）和供氫系統(tǒng)（即供氫部分）。儲氫部分包含加氫、儲氫、減壓和泄放保護，壓力、溫度和濃度的檢測并反饋，控制氫氣的輸送和關閉等功能；供氫部分包含調壓、循環(huán)應用和排水氣等功能。氫氣供應系統(tǒng)儲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 供應系統(tǒng)儲氫部分原理圖
Fig.9 Supply system hydrogen storage principle

圖10 供應系統(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和輸送系統(tǒng)，防止碰撞和刮傷是布置的重點。

氫氣瓶一般布置在車輛的底部，且在車輛碰撞梁內部，防止碰撞，離地間隙要滿足滿載時設計要求防止刮傷，泄放管路應布置在車輛尾部，防止氫氣聚集在車底。根據國標GB/T 26990－2011《燃料電池電動汽車車載氫系統(tǒng)技術條件》，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避免熱源以及電器、蓄電池等可能產生電弧的地方，至少應有200 mm的距離；②氫氣瓶和附件的安裝應距離車輛的邊沿至少有100 mm的距離；③氫氣管的支撐點間隔＜1 m。

單個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)泵和水氣分離器應布置在電堆下方，及時抽取和排出多余水氣，尤其是水氣分離器應在最低點。為了防止冷/熱水氣作用產生冷凝水汽，在氫氣循環(huán)泵的輸出和噴射器輸出混合區(qū)域應離電堆氫氣輸入口較遠，且中間增加混合腔和排水氣模塊，先預熱氫氣和排除多余水汽。氫氣在沖刷和排氣過程產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，且排氣管路應布置到車輛的最尾部，避免氫氣聚集在車輛底部。

氫氣供應系統(tǒng)組成如圖12。

2.3.3 氫氣供應系統(tǒng)布置小結


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

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

2.4 熱管理系統(tǒng)

2.4.1 熱管理系統(tǒng)簡述

由于電堆的工作特性，其采用的冷卻液必須是去離子水，且是單獨一套熱管理。熱管理系統(tǒng)是通過風扇、散熱器、水泵和PTC調節(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)。

車輛在運行過程要保證冷卻液的離子濃度在規(guī)定范圍內，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的溫度與電堆內部的溫度相近，防止冷凝水汽的產生，中冷器與電堆冷卻并聯(lián)，保證溫度相近。根據以上工作特性，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生的熱量和氣泡要及時散去和排出，所以熱管理系統(tǒng)應確保散熱器上水勢比電堆高，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，去離子應與一段管路并聯(lián)，且此管路要有水勢差。電堆熱管理系統(tǒng)組成如圖14。

電堆的工作溫度要求較嚴，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，分別為空調系統(tǒng)的冷凝器、電驅動系統(tǒng)的散熱器和電堆熱管理的散熱器。根據三個系統(tǒng)的散熱量需求，有三種布置方式:電堆散熱器、驅動散熱器、空調冷凝器并排成三層，從內到外布置；二是驅動散熱器和空調冷凝器并列成一層，然后電堆散熱器與其并排成兩層，電堆散熱器在內；三是電堆散熱器居中，驅動散熱器和空調冷凝器傾斜并列兩側。

2.4.3 熱管理布置小結

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計過程，要保證及時散去熱量和氣泡。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 結論

氫燃料電池電動汽車的布置設計首先要考慮電堆的布置位置和姿態(tài)，再進行電堆附件系統(tǒng)布置設計，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)，最后是氫氣供應系統(tǒng)管路布置。