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燃料電池熱管理構成


發布時間:

2023-06-09

燃料電池工作的熱量產生主要體現在化學反應放熱、歐姆極化放熱,壓縮空氣帶入熱量以及環境自身輻射的熱量。其中后兩者產生的熱量與前兩者相比可忽略不計。 ? 而散熱途徑主要是燃料電池輻射散熱,循環冷卻水帶走熱量,系統內部生成的水的汽化散熱。 ??通過控制電池工作時候內部產熱和散熱的熱平衡來實現燃料電池的熱管理。不同廠家熱管理系統的布局和設計或有不同,但其主要的零部件,和原理卻存在著相同之處

在燃料電池系統連續工作的過程中,電堆將產生持續的熱量輸出,導致系統的溫度上升。而溫度作為影響燃料電池系統的重要因素之一,主要表現在兩個方面。

  其一,溫度升高能夠提高催化劑的活性,提升質子交換膜的電導率加速質子傳遞,從而提高電化學反應速率,增大反應電流提升電堆整體性能。

  其二,過高的溫度會帶走反應過程中的水分,使質子交換膜脫水降低了熱力學平衡電勢,增加氫的滲透造成電壓損失。并且,質子交換膜本身為聚合物電解質,當溫度接近100℃時會使膜邊的脆弱,降低膜強度,當局部溫度過高,對應處質子膜出現穿孔現象,流道內的氫氣與空氣混合,將會引起安全事故。

  通過廣泛的研究證明,70~80℃的工作溫度能夠使電堆內部的電化學反應維持在最佳狀態。所以,高效的燃料電池熱管理系統能夠有效的提升電堆以及燃料電池整體的性能,壽命,安全性。而高效的熱管理則是通過冷卻液在系統內部流動,各部件的溫度控制配合得以實現。

  燃料電池工作的熱量產生主要體現在化學反應放熱、歐姆極化放熱,壓縮空氣帶入熱量以及環境自身輻射的熱量。其中后兩者產生的熱量與前兩者相比可忽略不計。

  而散熱途徑主要是燃料電池輻射散熱,循環冷卻水帶走熱量,系統內部生成的水的汽化散熱。

  通過控制電池工作時候內部產熱和散熱的熱平衡來實現燃料電池的熱管理。不同廠家熱管理系統的布局和設計或有不同,但其主要的零部件,和原理卻存在著相同之處。

主要零部件

循環水泵

  為不同工況的燃料電池系統系統提供某一定值流量、壓力的冷卻液循環,通過控制流速來控制散熱效率。主要參考指標有流量、揚程、絕緣性以及電磁兼容(EMC)性。

電子節溫器

  也叫做電子三通閥,通過對冷卻液溫度的感應控制冷卻液的流通路徑、進入散熱器的冷卻液量。需要具備快速響應、內部泄露量低的特性。

散熱器

  把冷卻液所搭載的熱量傳遞給環境。要求大風量、低噪音、能夠實現無級調節,根據溫度反饋對應的運行狀態。

中冷器

  通過對冷卻液和來自空壓機的壓縮空氣的熱交換,用冷卻液來冷卻進氣,使進入電堆的空氣溫度控制在合理范圍之內。其具有較大的熱交換量,需要高清潔度和低離子析出率特性。

換熱器

  一般是指液-液換熱,通過電堆出來的高溫冷卻液與外部的低溫冷卻液在換熱器中進行熱交換,提高熱利用率。

PTC加熱器

  由于低溫條件不利于燃料電池啟動,PTC加熱器可以給冷卻液進行加熱,能夠盡快把熱量導入電堆,縮短燃料電池啟動時間。

冷卻液

  燃料電池系統主要熱傳導載體。由于需要保證燃料電池運行過程中雙極板會產生的高電壓不會通過冷卻介質傳導,所以需要要求其具備極低的電導率。其具體的一些參數特性可以參考上一篇關于燃料電池專用冷卻液的相關內容。

去離子器

  根據燃料電池對冷卻液低離子電導率的嚴格要求,去離子器成為燃料電池熱管理系統中的獨具的部件。在冷卻管路中安置去離子器以維持冷卻液的電導率維持在一個穩定的水平。其活性物質是樹脂,故又稱離子交換樹脂過濾器。

水 箱

  一般使用膨脹水箱來存儲冷卻液,當冷卻液溫度升高,水位上升,回路里冷卻液會回流入膨脹箱,防止水箱壓力過高,反之補充水箱水位。一些車用系統會另外設置一個儲熱水箱來實現液-液換熱和供暖需求。

傳感器

   一般是指溫度-壓力一體傳感器,監控冷卻液水溫和進/出堆兩側的壓力。有些廠家會加裝電導率傳感器,監測冷卻液的電導率變化,當電導率超過設定的閥值時,開啟去離子器通路,讓冷卻液經過去離子器進行脫離子;當電導率下降到2us以下時,關閉這條通路,以延長去離子器的使用壽命。

  熱管理系統根據冷卻液流經通道不同一般分為大循環(內循環)和小循環(外循環)。當溫度不高時,冷卻液經由節溫器出口直接進入電堆,帶出氫氣、氧氣以及廢熱后直接進入冷卻液水泵形成又一次的循環叫做小循環(內循環)。當冷卻液溫度過高時,冷卻液經由節溫器進入散熱器、將其中的熱量置換出去后由散熱器出口后在進入電堆的循環叫做大循環(外循環)。

  此外,根據不同系統廠家的方案和布局結構也常呈現不同的冷卻管路設計。

以下給出幾種常見的燃料電池熱管理系統設計:

設計圖1

設計圖2

設計圖3

設計圖4