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燃料电池热管理提升路径在哪?

发布时间:2020-01-10 09:03
作者:高工氢燃料电池

大功率密度、高冷启动性能、自增湿以及车用工况的匹配等都对燃料电池的热管理策略提出了更高的要求。要用好氢燃料电池,做好热管理尤为关键。


“燃料电池热管理的最大瓶颈还是在于电堆的性能提升。”佛山市清极能源科技有限公司副总叶长流告诉高工氢电,燃料电池热管理的关键器件已经不存在“卡脖子”问题,从长远来看,要做好热管理,还需要提升改进燃料电池堆的性能。


热管理的主要元器件

氢燃料电池的热管理系统将电堆反应生成的热量排出系统外,使电堆维持在适合的温度区间工作。事实上,燃料电池热管理系统主要包括燃料电池热管理(燃料电池本体)和动力系统平台热管理两部分。从燃料电池系统热管理的元器件组成来看,又主要由水泵、节温器、去离子器、中冷器、水暖PTC、冷却模块及冷却管路等不同部分组成。

燃料电池为什么需要热管理?

燃料电池动力系统(简称:FCPS)的热效率一般为35%-45%左右,而传统的燃油发动机的热效率在30%以下,在产生相同的功率的情况下,燃料电池汽车一般要比燃油汽车节能25%左右,由此可见FCPS的环保和节能优势比较突出。

然而,尽管燃料电池发动机(简称:FCE)的效率远高于传统发动机,但是其散热问题却是一个巨大的考验。

相关研究数据显示,传统的发动机散热,15%是通过发动机机体散出,40%通过排气管以尾气的形式排放,只有8%的热量是通过散热器散出。跟传统的燃油发动机不同,FCE在散热方面主要依靠散热器,理论上,FCPS的热效率和散热器的热量在41%左右,有18%的热量需要通过散热器来散出。

但在恶劣的工况下,FCPS的热效率约为35%,此时仅有3%的热量是通过尾气排出,其余62%的热量需要通过散热器来散发。

由于燃料电池的工作温度相对较低,散热器中冷却液与环境的温差比传统汽车小,这也为其热管理带来了严峻挑战。

提升电堆性能是做好热管理的基础

事实上,改变电堆的输出功率是通过改变电流的密度实现的。但是,随着电流密度的改变,电堆发热功率也会明显变化,这就需要对热管理系统进行调节,以防止电堆过热影响寿命和运行安全或温度过低降低效率。

在电堆的实际运行中会发现,如果需要调整电堆的温度,需要通过调节风扇转速来实现。若仅在一定范围内调节水泵的转速,可能无法实现调节电堆温度的目标。若调节水泵转速至一定数值之上,水泵转速的提高又只能增加热管理系统的功耗,造成能量密度损失,降低发动机的效率。

如何在效率和热管理方面达成最优化,成为摆在电堆企业面临的难题。此外,在实际装车应用的过程中,还需要考虑体积等其它方面的因素。

“考虑到车用燃料电池的配置空间,特别是乘用车的高要求,热管理最大的压力反而转移到电堆上了。”叶长流表示,希望适配的散热器能做的更小,功耗更低,这也要求电堆的散热量要小,效率要高,进而对电堆的运行温度和湿度的匹配提出了更高的要求。

现阶段,热管理的配件基本能够满足供应,核心环节依然在于电堆环节。

“温差要大,这对电堆来说就是很大的挑战。”国内一家燃料电池企业热管理工程师认为,电堆工作的温度越高,又会导致湿度降低,也又对膜电极的耐低湿度带来的挑战。这要提升电堆效率,需要性能更好的膜电极。

另从双极板的角度来看,石墨板和金属板在热管理的散热性能方面差别不大,但是在冷启动方面,石墨板的加热速度较慢,金属板要明显优于石墨板。这意味着,不同类型的电堆对于热管理的需求也不一样。

若对标国外先进的热管理水平,国内还有很多地方有待改进。

“从目前已经成熟应用的情况来看,国内的燃料电池热管理跟国外相比还有较大的差距。”国内一家燃料电池汽车热管理工程师认为,这种差距主要体现在电堆上。国内的电堆的工作温度控制在60度到70度左右,但是国外能做到80度以上,这与膜电极的耐热性密切相关。

“按照额定电压0.67V,国内膜电极的电流密度在1A/cm²左右,同样的电压,国外能做到1.5A-2A/ cm²。”一名技术人员认为,在膜电极方面,国内外差距还是比较大的。

当然不必过于悲观,现在国内的电堆企业进步很快,很多国内公司在对标丰田公司的先进标准。高工氢电了解到,目前有少数国内电堆企业研发的样堆膜电极耐受温度能达到85度,相当于接近丰田在2014年的水平。

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