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【高工氢电•技术】氢燃料电池热管理系统详解

来源:捷氢科技 更新:2019-07-31 19:57:22 作者: 浏览:146次

每到夏日,人类不能离开——西瓜、WiFi和空调。空调被誉为20世纪最伟大发明之一,给人类提供舒适的环境,撑起了人类在炎热面前的尊严,而氢燃料电池的热管理系统与空调有相似的作用。人们要在适宜的温度下生活,离不开空调;同样的,氢燃料电池要在合适的温度范围内运行,也离不开热管理系统。

◆◆什么是氢燃料电池热管理系统?◆◆

氢燃料电池的热管理系统是将电堆反应生成的热量排出系统外,使电堆维持在最适宜的温度工作。一个典型的氢燃料电池热管理系统循环主要包含:①水泵、②节温器、③去离子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥冷却模块及⑦冷却管路等。

 

氢燃料电池热管理系统循环图

 

氢燃料电池热管理系统示意图

 

◆◆部件盘点◆◆

 

水泵

 

水泵是氢燃料电池热管理系统的“心脏”,它给系统冷却液做功,使冷却液循环。一旦电堆热到“难以自拔”,冷却水泵就加大冷却液的流速来给电堆降温。为了保证电堆产生的热量能够快速、有效的散发,水泵自身也要具备很高的“素质”,大流量、高扬程、绝缘及更高的EMC能力是必不可少的。此外,水泵还需要实时反馈当前的运行状态或故障状态。

 

水泵

 

中冷器

中冷器的作用是冷却来自空压机的压缩空气,它通过冷却液和空气的热交换来降低压缩空气温度,使进入电堆的空气温度在合理的范围内,主要结构由芯体、主板、水室和气室组成。中冷器的特点是热交换量大,清洁度要求高及离子释放率低。

 

中冷器

 

去离子器

氢燃料电池运行过程中,冷却液的离子含量会增高,使其电导率增大,系统绝缘性降低,去离子器就是用来改善这种现象。通过吸收热管理系统中零部件释放的阴阳离子,去离子器降低了冷却液的电导率,使系统处于较高的绝缘水平。

去离子器由壳体、滤网、树脂及进出口管组成。它的要求是离子交换量大、吸收离子速率快,同时成本低。

 

去离子器

 

水暖PTC

在环境温度较低的情况下,燃料电池面临低温挑战。水暖PTC是给电堆在低温冷启动时给冷却液辅助加热的,使冷却液尽快达到需求的温度,缩短燃料电池系统冷启动时间,就好比天气较冷的时候,运动员正式比赛前,先要做好充分的“热身运动”。水暖PTC由加热芯体、控制板及壳体组成,其要求是响应快、功率稳定。

 

水暖PTC(Positive Temperature Coefficient)

 

节温器

 

节温器用来控制冷却系统的大小循环。当冷却液温度较低时,为尽快达到系统所需的温度,节温器控制冷却液的流向,使得冷却液不经过外部散热器及风扇,形成冷却液的小循环流向。当冷却液温度不断升高,超出系统所需求的合适温度时,节温器会慢慢打开,使部分冷却液流过外部散热器进行散热,从而降低冷却液温度。当散热需求很大时,节温器将全部打开,所有冷却液都通过外部散热器,此时冷却液的流向称为大循环,其作用好比人身上穿的衣服,当觉得冷的时候需要多穿一些衣服保持温度,当热的时候需要脱掉一些衣服增加散热。

 

节温器由电机执行机构,阀体,进出口及壳体组成。燃料电池系统对节温器的要求是响应速度快、内部泄露量低、带位置反馈信息(电机节温器)。

 

节温器

 

散热器

 

散热器顾名思义就是用来散热的,它将冷却液的热量传递给环境,降低冷却液的温度。如果类比于人体,其作用好似人身上的皮肤,通过和环境的温差来进行散热。散热器本体需求的散热量大、清洁度要求高、离子释放率低,散热器的风扇要求风量大、噪音低、无级调速并需要反馈相应的运行状态。

 

散热器

 

冷却管路

 

冷却管路作为氢燃料电池的“血管”,连接着各零部件,使冷却液形成完整的循环。与所有零部件要求一样,冷却管路要求绝缘性及较高的清洁度。

 

冷却管路

 

◆◆挑战,挑战算什么?◆◆

 

正如曾经的每一次变革都会受到技术上的阻碍,在汽车从传统能源转换到氢能源的路上也有着不小的挑战。

 

氢燃料电池热管理系统相比传统燃油发动机而言,主要面临两个较大的挑战:

 

是零部件离子释放的控制,在热管理系统的零部件中,中冷和散热器较容易释放离子,导致冷却液电导率升高,进一步影响到系统的绝缘。目前主要缓解该问题的方式是零部件增加清洗工艺,但按照当前的状态,清洗往往需要很长时间,影响生产节拍,同时清洗的效果也有限,无法避免离子的长期释放。未来探索新的生产工艺、更合理的系统设计都将有助于改善相关的问题。

 

二是散热效率需要提高。一般而言,在相同的车辆运行条件下,氢燃料电池的散热量比传统燃油发动机大10%-20%左右,但燃料电池系统的运行温度较低,与环境的温差较小,这导致了燃料电池对散热要求相比传统车高了很多。除了增加散热面积外,更优的散热器设计,更合理的进气格栅设计,更高的电堆效率都将有助于解决散热困难的问题。

 

更好的热管理系统有助于提高氢燃料电池系统的使用寿命,同时更合理的热量综合利用有利于系统的节能减排。相信随着氢燃料电池行业的发展,相应的热管理技术将面临更多的机遇与挑战,也将进入一个崭新的发展阶段。

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