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中汽中心｜國(guó)外典型燃料電池汽車(chē)水、熱管理系統(tǒng)解析

2020-02-25 14:06:53·  來(lái)源：電動(dòng)學(xué)堂  
　
文章來(lái)源：《國(guó)外典型燃料電池汽車(chē)水、熱管理系統(tǒng)解析》作者單位：中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司文章DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2019.24.1050 引言燃料
文章來(lái)源：《國(guó)外典型燃料電池汽車(chē)水、熱管理系統(tǒng)解析》
作者單位：中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心有限公司
文章DOI:10.19475/j.cnki.issn1674-957x.2019.24.105
 
0 引言
燃料電池汽車(chē)是新能源汽車(chē)的一個(gè)重要技術(shù)路線(xiàn)，因其高效率和近零排放被普遍認(rèn)為具有廣闊的發(fā)展前景。美國(guó)、歐盟、日本和韓國(guó)都投入了大量資金和人力開(kāi)展燃料電池汽車(chē)的研究。豐田、本田、通用、福特、奔馳、現(xiàn)代等公司已開(kāi)發(fā)出燃料電池車(chē)型并進(jìn)行示范運(yùn)行。中國(guó)對(duì)燃料電池汽車(chē)的研發(fā)也同樣重視，對(duì)燃料電池汽車(chē)及其相關(guān)技術(shù)也提出了明確的發(fā)展規(guī)劃。目前，燃料電池汽車(chē)正處在由技術(shù)研發(fā)向商業(yè)化推廣過(guò)渡的階段，其中一些關(guān)鍵技術(shù)還不夠成熟，仍有部分關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決。其中，水、熱管理是燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)研究與開(kāi)發(fā)的核心關(guān)鍵技術(shù)之一，對(duì)整車(chē)動(dòng)力系統(tǒng)的性能、安全和壽命具有決定性影響。如果設(shè)計(jì)不合理，會(huì)造成燃料電池性能降低、縮短壽命，甚至出現(xiàn)安全隱患。為了保證燃料電池汽車(chē)的正常運(yùn)行和乘坐的舒適性，對(duì)整車(chē)進(jìn)行有效水、熱管理十分必要。本文主要對(duì)國(guó)外幾款典型的燃料電池汽車(chē)水熱管理系統(tǒng)方案進(jìn)行解析，分析其系統(tǒng)方案的特點(diǎn)，為國(guó)內(nèi)整車(chē)企業(yè)水、熱管理系統(tǒng)方案的制定提供參考。
 
1 水、熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求
1.1 水管理
車(chē)用燃料電池中質(zhì)子交換膜是一種固態(tài)電解質(zhì)膜，其作用是隔離燃料與氧化劑，同時(shí)在陽(yáng)極和陰極之間傳遞質(zhì)子。質(zhì)子交換膜需要有水潤(rùn)濕的狀態(tài)下才能夠傳導(dǎo)質(zhì)子，含水量過(guò)低，其電導(dǎo)率將會(huì)下降，導(dǎo)致電池的歐姆電壓損失增大，膜失水后催化層界面的活性也會(huì)下降。電池內(nèi)部過(guò)多的液態(tài)水，會(huì)導(dǎo)致電極水淹，會(huì)阻礙氧氣的傳遞，降低催化劑的利用率，阻礙電化學(xué)反應(yīng)的正常進(jìn)行，使電池性能下降，功率密度越大，這種潛在的影響也就越大；過(guò)多的氣態(tài)水，會(huì)稀釋反應(yīng)氣體的濃度，造成反應(yīng)界面的反應(yīng)氣體不足。因此，為了實(shí)現(xiàn)高輸出功率密度的設(shè)計(jì)，始終確保質(zhì)子交換膜中穩(wěn)定的含水量至關(guān)重要。
在設(shè)計(jì)燃料電池水管理系統(tǒng)時(shí)，主要考慮以下各項(xiàng)之間的平衡：
①進(jìn)氣加濕和排氣排水；
②反應(yīng)在陰極催化劑層中產(chǎn)生的水；
③水的電滲透和反向擴(kuò)散。
 
1.2 熱管理
燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的工作溫度低時(shí)，電池內(nèi)各種極化增強(qiáng)，歐姆阻抗也較大，電池性能較差；溫度升高時(shí)，會(huì)降低各種極化和歐姆阻抗，電池性能提高，但溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致膜脫水，使電導(dǎo)率下降，電池性能降低。其工作溫度為范圍一般為60-90℃，與燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求相比，燃料電池更為苛刻。
燃料電池排氣的溫度約70℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于汽油發(fā)動(dòng)機(jī)排氣溫度，只能帶走大概3%左右的熱量。輻射帶走的熱量在燃料電池和汽油發(fā)動(dòng)機(jī)中的占比都很小。燃料電池95%熱量都需要通過(guò)冷卻系統(tǒng)帶走，并且需要增加另外的低溫散熱器對(duì)電堆控制器進(jìn)行冷卻，因此，燃料電池汽車(chē)中的熱管理的設(shè)計(jì)要求更高。
在設(shè)計(jì)燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)時(shí)，應(yīng)考慮以下幾點(diǎn)：
①更大的散熱器。如果一個(gè)散熱器太大而無(wú)法布置，
可以分成兩個(gè)或多個(gè)散熱器。
②冷凝器不應(yīng)放在散熱器前。冷凝器中的空氣被加熱
到較高的溫度，會(huì)影響后面散熱器的熱交換。
③風(fēng)機(jī)應(yīng)布置在散熱器后面，有利于保持氣流速度，便于帶走熱量。
④應(yīng)保持足夠的距離，以避免引起熱量的聚集。
 
2 國(guó)外典型燃料電池汽車(chē)水、熱管理系統(tǒng)
本文主要分析了款燃料電池汽車(chē)的水熱管理系統(tǒng)，其整車(chē)參數(shù)如表2。
2.1 水管理系統(tǒng)方案
進(jìn)氣加濕分為外部加濕和內(nèi)部自加濕兩種方式。豐田公司開(kāi)發(fā)了世界第一個(gè)自加濕燃料電池電堆。自加濕的實(shí)現(xiàn)主要是通過(guò)在陰極采用新開(kāi)發(fā)的三維（3D）細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)，提高水和氣體擴(kuò)散的去除率；另一方面通過(guò)在陽(yáng)極采用精密沖壓工藝，在陽(yáng)極正面形成氫氣流動(dòng)和背面形成冷卻液流動(dòng)相結(jié)合的精細(xì)通道流場(chǎng)。這種結(jié)構(gòu)改善了每個(gè)單電池內(nèi)的水平衡，僅利用反應(yīng)生成的水實(shí)現(xiàn)自加濕。其三維（3D）細(xì)網(wǎng)格結(jié)構(gòu)如圖2所示。
這種肋下湍流增強(qiáng)結(jié)構(gòu)和表面親疏水性設(shè)計(jì)的三維細(xì)網(wǎng)格，有助于防止由于溢流造成的傳遞損失，使每個(gè)單電池表面產(chǎn)生的電流均勻，并減少單電池之間的電壓變化。此外，可以?xún)?yōu)化單電池表面的三維精細(xì)網(wǎng)格流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，以減小進(jìn)氣湍流，防止質(zhì)子交換膜的干燥。
本田Clarity燃料電池汽車(chē)采用的是外部加濕方法。
本田Clarity燃料電池電堆內(nèi)部的水管理的技術(shù)主要有：首先，通過(guò)減少氣體流動(dòng)通道的深度來(lái)減小電池厚度，使質(zhì)子交換膜中的濕度均勻，并減少加濕量。其次，單電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)由空氣和氫氣平行流動(dòng)改變?yōu)闅怏w反向流動(dòng)。如圖5所示，加濕空氣向入口側(cè)的質(zhì)子交換膜提供水，生成的水向出口側(cè)移動(dòng)并供給質(zhì)子交換膜，之后，通過(guò)質(zhì)子交換膜滲透的水被反擴(kuò)散到陽(yáng)極側(cè)，水被供應(yīng)到氫入口，這使得反應(yīng)界面上的水循環(huán)加強(qiáng)，并使質(zhì)子交換膜內(nèi)的水分布均勻。
2.2 熱管理系統(tǒng)方案
豐田Mirai燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)布置方案如圖6。豐田Mirai燃料電池的功率比較大，其電堆的散熱需求較大，為了滿(mǎn)足電堆的散熱需求，電堆的散熱器分為了主、副散熱器。如圖6所示，中冷器與電堆冷卻回路并聯(lián)，冷卻系統(tǒng)回路中安裝有去離子器，以滿(mǎn)足進(jìn)入電堆冷卻液絕緣的要求。
 
本田Clarity燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)布置方案如圖7。本田Clarity燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)包含冷卻水泵和向外換熱的散熱器、用于切換散熱器大小循環(huán)的節(jié)溫器（低溫時(shí)快速熱機(jī)、高溫時(shí)冷卻）、去除冷卻液中的離子來(lái)確保車(chē)輛的電氣安全和防止燃料電池組的腐蝕的去離子器、回收冷卻液熱量的加熱系統(tǒng)。
 
3 結(jié)束語(yǔ)
通過(guò)對(duì)國(guó)外典型的燃料電池汽車(chē)水、熱管理系統(tǒng)的分析，總結(jié)出燃料電池汽車(chē)的水、熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：
①水管理要保證進(jìn)氣加濕和排氣排水、反應(yīng)在陰極催化劑層中產(chǎn)生水的去除和循環(huán)利用、水的電滲透和反向擴(kuò)散之間的平衡。
②熱管理要保證足夠大的換熱量、低溫時(shí)快速熱機(jī)、
高溫時(shí)冷卻、冷卻液的電氣安全（去離子）、電堆余熱利用。
 
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