本田公司為了實現將燃料電池動力系統置于Clarity燃料電池汽車引擎蓋下方，對燃料電池冷卻系統進行了小型化(downsizing)設計。本田公司通過精確預估金屬雙極板的腐蝕電流大小、降低冷卻劑的電導率和取消電池隔離橡膠(insulation rubber)來減小電池尺寸。對于冷卻系統體積，調節冷卻劑的電導率以減少冷卻水泵等部件體積。此外，調節冷卻劑電導率在一定范圍內有助于減小電堆和冷卻設備(如水泵)體積。為了減小冷卻劑電導率，本田建立一種燃料電池冷卻系統，該系統可以減少離子分解(ion dissolution)、抑制冷卻劑衰減(degradation of coolant)和持續減少融解離子(dissolved ions)數目。以上措施使得本田Clarity燃料電池汽車的冷卻系統體積減少20%，成功實現世界第一輛五座燃料電池乘用車面世。

本田公司于2016年推出全球首輛五座燃料電池汽車-Clarity Fuel Cell。為了實現類似傳統內燃機的動力布置方案-將動力裝置集成并放置在引擎蓋下方，本田公司在2009款燃料電池汽車基礎上大大減少了燃料電池動力系統的體積。此外，動力系統置于引擎蓋下方亦可以避免重新開發全新的燃料電池車身(car body)，降低燃料電池汽車成本(可以和混合動力汽車或者傳統汽車共享車身)。

本田Clarity燃料電池動力系統布置

1. 燃料電池冷卻系統小型化背景

下圖為燃料電池冷卻系統原理圖，包含燃料電池堆、水泵、散熱器、節溫器(三通閥)、去離子裝置和熱回路(heat recovery circuit)組成。冷卻系統的主要作用為將電堆產生的熱量通過散熱器散掉。每個部件的功能如下：水泵對冷卻液增壓并向前輸送冷卻液；散熱器向外部環境散熱；節溫器實現大小循環散熱(設置冷卻液是否流經散熱器散熱)；去離子裝置保證電安全和防止電堆腐蝕(降低冷卻液中的離子數目)；熱回路通過冷卻液回收電堆產熱來提高低溫環境適應性。

燃料電池冷卻系統原理圖

下圖為本田燃料電池堆的結構圖。為了滿足車用動力性要求，電堆由幾百片單電池串聯形成。燃料電池堆氣體采用水平相向的流動方式，2塊MEA與3塊雙極板構成一個電池單元，組成獨特的冷卻結構。質子交換膜燃料電池中電化學反應產生的熱量通過雙極板與冷卻流道中的冷卻劑進行換熱。

單電池冷卻區域

為了將動力系統置于引擎蓋下方，本田公司的目標是開發和V6發動機體積相等的燃料電池動力系統。因此，對于燃料電池冷卻系統，需要從結構和功能兩個方面考慮減小其體積。本田在保持冷卻系統同樣散熱能力的前提下，優化了電池冷卻流道結構，實現了燃料電池電堆體積減小20%(與本田2009款相比)。由于電堆由數百片單電池組成，減小單電池厚度將大大降低電堆體積。因此，本田將關注點放在隔離橡膠上(rubber insulation)。下圖對比了本田公司09MY和16MY兩款燃料電池堆。從上到下依次展示的是：09MY和16MY兩款電堆的正視圖，冷卻流場結構的高度變化，由于橡膠隔離引起的從歧管處冷卻流道的路徑變化。

冷卻流道細節

09MY電堆通過使用密封圈來包裹冷卻流場的四邊(上、下、左、右)實現對金屬雙極板的防腐處理。相反，16MY電堆冷卻流場降低了上下兩個密封圈的厚度，但h16MY和h09MY高度保持相同。因此，在沒有提高冷卻流道壓降的前提下，通過兩層密封圈設計降低了電池厚度。同樣，從歧管至被密封圈覆蓋的金屬表面距離l16MY比09MY對應的l09MY短，減少了電池面積。上述結構實現燃料電池電堆體積減少20%。

2. 燃料電池冷卻系統功能

下表展示了燃料電池冷卻系統的功能、影響這些功能的參數以及小型化涉及的問題。電堆冷卻效果由進入電堆的冷卻液流量、散熱器和向外界的散熱量決定。當降低水泵和散熱器的體積，冷卻液流量和散熱量也隨之減少，降低了冷卻效果。因此，本田公司舍棄降低冷卻系統部件尺寸的做法，轉而選擇將冷卻系統管道長度(piping length)變短。

燃料電池冷卻系統的三個功能

燃料電池冷卻系統需要具備導電隔離以保證車輛的電安全(electrical safety)，這取決于電堆到GND(ground)的長度以及冷卻液的電導率。如上所述，小型化減少了管道長度，這有利于降低絕緣電阻值(insulation resistance)。為了保證絕緣電阻值在一定范圍，新一代MY電堆系統中冷卻液電導率要比前一代09MY中小。

下圖表示冷卻流場的氧化還原反應位置-冷卻流場的易腐蝕區域。燃料電池金屬雙極板一般會進行表面改性處理，其耐腐蝕涂層一定程度上會抑制腐蝕。

冷卻流場的腐蝕區域

冷卻流場區域流經冷卻劑，由于冷卻劑導電，不可能在物理上阻止電閉合電路的形成。如下圖所示，當沿著冷卻流道方向不銹鋼金屬暴露在外，金屬雙極板腐蝕就會發生，主要后果就是引起不銹鋼的主要成分在高電位(公式1)側腐朽，同時在低電位(公式2)側由于氧化還原反應產生氫氣。

當冷卻流道區域的不銹鋼材料發生腐朽，材料的強度將大打折扣，此時壓差易使金屬材料變形，并且點腐蝕也可能發生(點腐蝕簡稱點蝕，指金屬表面在腐蝕介質中形成小孔的一種極為局部的腐蝕形態)。當電池厚度和導電隔離距離減少，各部分電阻也隨之降低，冷卻流道中的腐蝕電流值增加，進一步加速了金屬雙極板的腐蝕。降低冷卻液電導率有利于減少電堆體積和金屬雙極板的耐腐蝕性。

下圖為精確計算燃料電池堆中腐蝕電流值的等效電流圖。假定冷卻流道歧管電流為IA，冷卻流道電流值為IB，冷卻流道歧管電阻值為RA，冷卻流道電阻值為RB。等效電流圖用來計算最大腐蝕電流IB(n+1)。

電堆電路

下圖表示電池厚度、導電隔離距離、水平方向冷卻劑電導率和垂直方向腐蝕電流對最大腐蝕電流IB(n+1)的影響情況(基于09MY電堆為基礎且假設09MY為100%)。可以發現，當電池厚度在Y方向上降低20%時，冷卻流道歧管電阻值RA變小，最大腐蝕電流IB(n+1)增加了14%。為了降低Z方向長度取消密封圈且導電隔離距離減少79%，最大腐蝕電流提高了113%。因此，電池厚度和導電隔離距離減小會引起最大腐蝕電流提高。

燃料電池電堆中組件層數、冷卻流道歧管橫截面積和工作環境也會引起最大腐蝕電流升高。從下圖可以看出，降低冷卻劑的電導率大大降低了最大腐蝕電流IB(n+1)。因此，16MY電堆的目標是在09MY基礎上冷卻劑電導率降低59%，通過降低電池厚度和導電隔離距離提高腐蝕電流。

可以確定的是，冷卻劑電導率影響電堆和冷卻系統部件的體積。下面兩張圖橫坐標表示冷卻劑電導率比值(與09MY相比，09MY為100%)，縱坐標分別表示冷卻系統部件體積比值和電堆體積比值。對于冷卻系統部件，當冷卻劑電導率降低，絕緣電阻值升高，因此冷卻系統管路長度減少，冷卻系統部件體積也隨之減少。為了建立電導率比值小于4%的冷卻系統(如圖中2)，有必要在電堆入口安裝去離子裝置。然而，去離子裝置的存在引起冷卻系統中壓降增加，水泵體積增加，即冷卻系統部件體積增加。

對于電堆，當冷卻劑電導率從100%降到4%時(下圖中3)，受電池厚度和導電隔離距離影響的絕緣電阻值會升高，意味著，導電隔離用的橡膠數目和電堆體積會減小。當冷卻劑電導率低于4%甚至更低，僅雙極板腐蝕現象減緩，體積減小的效果微乎其微。綜上所述，可以通過調節冷卻劑的電導率在一定范圍，實現燃料電磁冷卻系統的小型化。

3. 低電導率燃料電池冷卻系統的構建

冷卻劑中離子融解(ion dissolution)主要來源于冷卻系統零部件、熱回路(heater system)零部件和冷卻劑降解產生的離子。即使采取措施減少冷卻劑中的離子數目，來自于冷卻系統中零部件和冷卻劑降解的離子也會隨之發生。為了維持燃料電池冷卻回路中較低的離子電導率，有必要解決兩個問題：1.減少來自于零部件的離子融解，抑制冷卻劑的降低；2.建立可以持續不斷消除融解離子的燃料電池冷卻系統。

本田公司09MY中已經采取了相關措施抑制來自于冷卻系統中零部件的離子融解，如下表所示。其中，制造散熱器過程中已考慮了降低離子融解的效應。選擇低離子融解率的材料制造管路、樹脂部件和橡膠管(rubber hose)。此外，還在冷卻劑中添加氧化抑制劑限制熱分解引起的離子融解。

相比于09MY，16MY增加了一個可從燃料電池堆吸收廢熱的系統，該系統用來加熱冷卻液。同樣，對于熱回路系統(heater system)也需要降低電導率。方法如下表所示。與傳統內燃機不同，加熱線圈在制造過程中考慮低離子融解效應，同時管路的材料、樹脂部件和橡膠管也采用低離子融解的材料。

通過上述措施，相比傳統內燃機中的熱回路部件，經受離子融解的部件成功在16MY中降低了75%。燃料電池冷卻系統中離子融解數目和09MY中保持相同水平，如下圖所示。

僅僅采取上述抑制離子融解的材料來保持較低的離子電導率還遠遠不，尤其對于長期不使用的車輛，因為融解的離子會在每個零部件里面慢慢積累，積少成多。當車輛啟動，短期表現高離子電導率的冷卻劑就會流入電堆，有必要主動消除離子。因此，本田建立了一個讓冷卻劑持續進入去離子裝置的旁路。當去離子裝置和電堆串聯，壓降損失較大。當去離子裝置和電堆并聯，壓降較小，冷卻水泵體積降低40%。冷卻劑持續進入去離子裝置旁路系統的一個優點就是當汽車處于暖機時，已經在散熱器內部的離子可以去除，意味著即使在暖機過程中離子從散熱器中產生并流動，離子數目也可控。

下圖表示采取上述措施后燃料電池冷卻系統運行過程中電導率的變化情況。可以發現，即使電導率短暫上升，系統也會進行調節以保持較低的電導率水平。

保持低冷卻劑電導率的性能表現

從下圖可以看出，暖機過程中，積累在散熱器旁路中的融解離子在汽車啟動時刻會立刻進入系統，引起電導率短暫性上升。然而，由于冷卻劑可以持續進入去離子裝置，電導率可以快速降低。暖機后，積累在散熱器旁路中的融解離子進入冷卻系統，電導率再次上升。由于融解離子可以持續消除，可以再次保證系統較低的電導率水平。

燃料電池冷卻系統原理圖

4. 文獻、技術報告和專利來源

本文相關的圖片和信息均整理自本田技術報告。技術報告來源于Honda R&D Technical Review。