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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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