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    氫燃料電池熱管理系統詳解

    發布日期: 2019-07-31
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    每到夏日,人類不能離開——西瓜、WiFi和空調??照{被譽為20世紀偉大發明之一,給人類提供舒適的環境,撐起了人類在炎熱面前的尊嚴,而氫燃料電池的熱管理系統與空調有相似的作用。人們要在適宜的溫度下生活,離不開空調;同樣的,氫燃料電池要在合適的溫度范圍內運行,也離不開熱管理系統。

    什么是氫燃料電池熱管理系統?

    氫燃料電池的熱管理系統是將電堆反應生成的熱量排出系統外,使電堆維持在適宜的溫度工作。一個典型的氫燃料電池熱管理系統循環主要包含:①水泵、②節溫器、③去離子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥冷卻模塊及⑦冷卻管路等。

    氫燃料電池熱管理系統循環圖

    氫燃料電池熱管理系統示意圖

    部件盤點 

    水泵

    水泵是氫燃料電池熱管理系統的“心臟”,它給系統冷卻液做功,使冷卻液循環。一旦電堆熱到“難以自拔”,冷卻水泵就加大冷卻液的流速來給電堆降溫。為了保證電堆產生的熱量能夠快速、有效的散發,水泵自身也要具備很高的“素質”,大流量、高揚程、絕緣及更高的EMC能力是*的。此外,水泵還需要實時反饋當前的運行狀態或故障狀態。

    水泵

     

    中冷器

    中冷器的作用是冷卻來自空壓機的壓縮空氣,它通過冷卻液和空氣的熱交換來降低壓縮空氣溫度,使進入電堆的空氣溫度在合理的范圍內,主要結構由芯體、主板、水室和氣室組成。中冷器的特點是熱交換量大,清潔度要求高及離子釋放率低。

    中冷器

     

    去離子器

     

    氫燃料電池運行過程中,冷卻液的離子含量會增高,使其電導率增大,系統絕緣性降低,去離子器就是用來改善這種現象。通過吸收熱管理系統中零部件釋放的陰陽離子,去離子器降低了冷卻液的電導率,使系統處于較高的絕緣水平。

     

    去離子器由殼體、濾網、樹脂及進出口管組成。它的要求是離子交換量大、吸收離子速率快,同時成本低。

    去離子器

     

    水暖PTC

     

    在環境溫度較低的情況下,燃料電池面臨低溫挑戰。水暖PTC是給電堆在低溫冷啟動時給冷卻液輔助加熱的,使冷卻液盡快達到需求的溫度,縮短燃料電池系統冷啟動時間,就好比天氣較冷的時候,運動員正式比賽前,先要做好充分的“熱身運動”。水暖PTC由加熱芯體、控制板及殼體組成,其要求是響應快、功率穩定。

    水暖PTC(Positive Temperature Coefficient) 

    節溫器

     

    節溫器用來控制冷卻系統的大小循環。當冷卻液溫度較低時,為盡快達到系統所需的溫度,節溫器控制冷卻液的流向,使得冷卻液不經過外部散熱器及風扇,形成冷卻液的小循環流向。當冷卻液溫度不斷升高,超出系統所需求的合適溫度時,節溫器會慢慢打開,使部分冷卻液流過外部散熱器進行散熱,從而降低冷卻液溫度。當散熱需求很大時,節溫器將全部打開,所有冷卻液都通過外部散熱器,此時冷卻液的流向稱為大循環,其作用好比人身上穿的衣服,當覺得冷的時候需要多穿一些衣服保持溫度,當熱的時候需要脫掉一些衣服增加散熱。

     

    節溫器由電機執行機構,閥體,進出口及殼體組成。燃料電池系統對節溫器的要求是響應速度快、內部泄露量低、帶位置反饋信息(電機節溫器)。

    節溫器

     

    散熱器

     

    散熱器顧名思義就是用來散熱的,它將冷卻液的熱量傳遞給環境,降低冷卻液的溫度。如果類比于人體,其作用好似人身上的皮膚,通過和環境的溫差來進行散熱。散熱器本體需求的散熱量大、清潔度要求高、離子釋放率低,散熱器的風扇要求風量大、噪音低、無級調速并需要反饋相應的運行狀態。

     

    散熱器

     

    冷卻管路

     

    冷卻管路作為氫燃料電池的“血管”,連接著各零部件,使冷卻液形成完整的循環。與所有零部件要求一樣,冷卻管路要求絕緣性及較高的清潔度。

    冷卻管路

     

    挑戰,挑戰算什么?

    正如曾經的每一次變革都會受到技術上的阻礙,在汽車從傳統能源轉換到氫能源的路上也有著不小的挑戰。

    氫燃料電池熱管理系統相比傳統燃油發動機而言,主要面臨兩個較大的挑戰:

    是零部件離子釋放的控制,在熱管理系統的零部件中,中冷和散熱器較容易釋放離子,導致冷卻液電導率升高,進一步影響到系統的絕緣。目前主要緩解該問題的方式是零部件增加清洗工藝,但按照當前的狀態,清洗往往需要很長時間,影響生產節拍,同時清洗的效果也有限,無法避免離子的長期釋放。未來探索新的生產工藝、更合理的系統設計都將有助于改善相關的問題。

    二是散熱效率需要提高。一般而言,在相同的車輛運行條件下,氫燃料電池的散熱量比傳統燃油發動機大10%-20%左右,但燃料電池系統的運行溫度較低,與環境的溫差較小,這導致了燃料電池對散熱要求相比傳統車高了很多。除了增加散熱面積外,更優的散熱器設計,更合理的進氣格柵設計,更高的電堆效率都將有助于解決散熱困難的問題。

    更好的熱管理系統有助于提高氫燃料電池系統的使用壽命,同時更合理的熱量綜合利用有利于系統的節能減排。相信隨著氫燃料電池行業的發展,相應的熱管理技術將面臨更多的機遇與挑戰,也將進入一個嶄新的發展階段。

     

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