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入21世紀以來,北半球夏季高溫熱浪事件日趨頻繁。尤其是今年,高溫天氣頻發,相信大家都深有感受。炎炎夏日,當我們在空調房吃著西瓜享受涼爽時,為人類提供交通出行的燃料電池汽車卻要在高溫天氣承受暴曬。車輛在運行過程中,燃料40%~60%的化學能轉換成電能,其余的能量大多數轉化為熱能,如果熱量不能及時排出電池,系統溫度會持續上升,出現局部單節電池或者電池內局部區域超溫現象,嚴重影響燃料電池正常工作。因此,氫燃料電池要在合適的溫度范圍內運行,離不開熱管理系統。什么是氫燃料電池熱管理系統?本期小編就來和大家簡單討論一下。
氫燃料電池的熱管理系統是將電堆反應過程中生成的熱量排出系統外,使電堆維持在最適宜的溫度工作的系統。一個典型的氫燃料電池熱管理系統主要包含水泵、節溫器、PTC、中冷器、冷卻管路、散熱器和散熱風扇等部件。
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。
節溫器用來控制冷卻系統的大小循環。運行過程中節溫器根據冷卻水溫度自動調節進入散熱器的水量,以保證燃料電池在合適的溫度范圍內工作,可起到節約能耗等作用。
PTC是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。
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。
冷卻管路負責連接各零部件,使冷卻液形成完整的循環。與所有零部件要求一樣,冷卻管路需具備絕緣性及較高的清潔度。
氫燃料電池熱管理系統相比傳統燃油發動機而言,也面臨著諸多難題,例如散熱需求大,冷卻液電導率低,零部件功率較大等問題。近年來,億華通不斷加強技術研發和實際應用,在零部件開發上大大提升了可靠性,還開發了燃料電池系統余熱利用控制策略,使得燃料電池系統散熱能力及余熱利用率實現大幅提升。
為優化整車的環境適應性,億華通開發了基于多熱域耦合協調控制的燃料電池系統余熱利用控制策略。由于燃料電池發動機系統遵循高溫高濕高壓的技術路線,電堆出口水溫最高超過 85 ℃,較高的水溫使得余熱利用系統更容易回收冷卻液中的熱量,用于冬季車廂內的暖風、除霜等;同時,較高的水溫也降低了對燃料電池發動機散熱器散熱面積的要求,有利于整車布置。
圖一整車熱管理結構
圖二實車余熱利用效果
圖二是實車余熱利用效果,燃料電池在供電的同時還輸出一定量的熱能,起到了較好的能量綜合利用效果。經統計,采用余熱利用后,12m 公交車冬季的百公里氫耗由 8.6 kg 降至 7.6 kg,降低了11. 6%。
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。進一步地,為實現商用車從傳統燃油動力向氫燃料動力轉型提供技術支撐,將有利于緩解環境污染問題,減少極端天氣出現頻次,優化能源消費結構,助力實現雙碳目標。
原文始發于微信公眾號(億華通):技術專題 | 燃料電池“智能消暑系統”詳解