2.6 清华大学

图2-18 清华大学4月公开专利技术构成

 清华大学不仅为国内科研能力强大的高校之一，同时还是丰田在中国推行燃料电池技术的合作伙伴。2019年4月，清华大学在燃料电池领域一共公开了20篇专利，涉及有电堆、动力系统、热管理、整车等。下面对本月清华大学公开的部分代表专利进行介绍、分析。

（1）整车——零下启动

 商用车的零下启动方法通常包括产热和保温两种。其中产热也可以分为外部加热和系统自产热两种方式。采用外部加热的方式有：燃料电池双极板或端板加热、进气加热和冷却液加热；采用内部加热的方式目前报道的有：催化燃烧，储氢放热和相变材料三种方式。采用外部加热方式需要加热电堆，使其升温到零上，这种方式一般需要消耗大量外部能源，且装置较为复杂。采用系统自产热的方式一般通过系统自身携带的燃料或者其他材料提供零下启动的能量，这种方式能够减少外部能源的消耗，并且一般不需要破坏电池的原有结构。如专利CN200610134075.4介绍了一种利用阴极反应放热来加热电池的方法。该专利发明要点为：在-5℃～-20℃环境中，阴阳极气体氛围分别为氢气、氧气(空气)，通过直流电源加载大电流，在阴极生成氢气，生成氢气与氧气在催化剂作用下发生反应放热，来进行冷启动。由于零下启动气体中基本无加湿，因此在大电流情况下极易发生膜干。此外，由于在阴极氢气与氧气反应会产生水，生成水可能会结冰，结冰带来的体积膨胀可能会破坏电池结构，引发电池老化。

 基于此，CN109585882A提供了一种燃料电池零下启动方法，具体为：1)提供含氢氛围：在零下50℃到0℃的条件下，向燃料电池提供含氢氛围，氢气浓度为5％～100％；2)施加电流或电压控制：在步骤1)提供的含氢氛围下，向燃料电池施加电流或电压控制，利用燃料电池的欧姆产热、反应热及浓度过电势产热使燃料电池升至所需温度或到达设定时间，完成燃料电池零下启动。其中，向燃料电池提供含氢氛围的方式可为持续或间断提供；步骤2)中施加的电流或电压为直流或者交流等。

图2-19 零下启动装置

 同时，基于零下启动方法，还提供了零下启动装置，具体为：包括燃料电池、供氢装置及电流发生装置；其中，供氢装置的出气口同时与燃料电池的氢气极和空气极连通，或者供氢装置的出气口与燃料电池的氢气极和空气极中的任意一极连通、并将燃料电池的氢气极和空气极用管道连通，用于为燃料电池提供含氢氛围；电流发生装置的正负极分别与燃料电池的氢气极和空气极相连，用于为燃料电池施加电流或电压控制。

 通过该零下启动方法和装置，可有效克服燃料电池在零下启动过程中因自产热而产水结冰、装置复杂成本高及耗能大等不足，并且该零下启动方法效率高，同时可避免水结冰带来的问题。

（2）热管理

 质子交换膜燃料电池（PEMFC）在发电过程中会产生与电能相当的热能，如果不能及时有效的排除产生的热能将会导致电堆温度升高，高温虽然能够提高电极反应，提高催化活性，但是过高的温度会导致质子交换膜干燥，降低膜的性能，从而降低输出特性和使用寿命，更进一步，如果温度失控，将会威胁系统以及工作人员的安全。因此对燃料电池的热管理系统及其控制方法的研究是及其重要的。针对大功率电堆而言，一般通过液体冷却的方式冷却，液体源源不断地均匀流入流出电堆并将热量带出，实现了电堆的温度控制即热管理。而液体均匀流通到每个发热单电池的关键在于，在每个单电池的极板上均有设计加工好的流场便于液体均匀流通到单电池不同的发热区域，从而将热量尽可能均匀地带出来，实现了电堆的热量管理。

图2-20 燃料电池系统示意图

基于此，CN109560304A提供了一种质子交换膜燃料电池的热管理方法，包括以下步骤：

  1. 将石墨光板或金属片两侧加工出氢气/冷却液流场通道和空气流场通道，制成双极板，所述通道有出入口；

  2. 将步骤1)制成的双极板与膜电极按照交叉叠加的方式，组装成燃料电池电堆，该电堆只有两路进出口通道，一路为氢气和冷却液共用，另一路为空气所用；

  3. 将步骤2)组装的燃料电池电堆接入到燃料电池系统，其中，将氢气子系统和散热子系统接入电堆的氢气/冷却液进出口通道，将空气子系统接入电堆的空气进出口通道；

  4. 氢气和冷却液分别通过氢气子系统的减压装置和散热子系统的水泵汇入到电堆的氢气/冷却液入口，并流入电堆的阳极流场；多余的氢气、散热用的冷却液及反应产生的水，通过电堆的氢气/冷却液出口流出电堆；

  5. 空气通过空压机输送到燃料电池电堆的空气入口，并流入燃料电池的阴极流场，反应剩余的空气及产生的水经由电堆空气出口流出。  

图2-21 氢气/冷却液流场通道示意图（左）；空气流场通道示意图（右）

 此方法开发出一款新型的阳极燃料与冷却液并流的燃料电池双极板。采用新的燃料电池双极板工艺，仅需一块极板，就能实现之前双极板的功能，极板两侧分别为氢气和空气流场；此外，该极板省略掉了极板与极板的粘结工艺，大幅简化了工序并提高了工艺的可靠性，同时由于液体流场的省略，极板本身的厚度可大幅下降，厚度可降低20％-40％左右，大大提高了电堆的质量、体积比功率，降低燃料电池密封装配工艺难度；同时，燃料电池产生的热量主要在膜电极区域，冷却液在阳极燃料腔与燃料并流，更直接地与热量接触，提高了冷却效率。