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燃料電池?zé)峁芾順?gòu)成

發(fā)布時(shí)間：

2023-06-09

燃料電池工作的熱量產(chǎn)生主要體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)放熱、歐姆極化放熱，壓縮空氣帶入熱量以及環(huán)境自身輻射的熱量。其中后兩者產(chǎn)生的熱量與前兩者相比可忽略不計(jì)。 ? 而散熱途徑主要是燃料電池輻射散熱，循環(huán)冷卻水帶走熱量，系統(tǒng)內(nèi)部生成的水的汽化散熱。 ??通過控制電池工作時(shí)候內(nèi)部產(chǎn)熱和散熱的熱平衡來實(shí)現(xiàn)燃料電池的熱管理。不同廠家熱管理系統(tǒng)的布局和設(shè)計(jì)或有不同，但其主要的零部件，和原理卻存在著相同之處

在燃料電池系統(tǒng)連續(xù)工作的過程中，電堆將產(chǎn)生持續(xù)的熱量輸出，導(dǎo)致系統(tǒng)的溫度上升。而溫度作為影響燃料電池系統(tǒng)的重要因素之一，主要表現(xiàn)在兩個(gè)方面。

其一，溫度升高能夠提高催化劑的活性，提升質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率加速質(zhì)子傳遞，從而提高電化學(xué)反應(yīng)速率，增大反應(yīng)電流提升電堆整體性能。

其二，過高的溫度會帶走反應(yīng)過程中的水分，使質(zhì)子交換膜脫水降低了熱力學(xué)平衡電勢，增加氫的滲透造成電壓損失。并且，質(zhì)子交換膜本身為聚合物電解質(zhì)，當(dāng)溫度接近100℃時(shí)會使膜邊的脆弱，降低膜強(qiáng)度，當(dāng)局部溫度過高，對應(yīng)處質(zhì)子膜出現(xiàn)穿孔現(xiàn)象，流道內(nèi)的氫氣與空氣混合，將會引起安全事故。

通過廣泛的研究證明，70~80℃的工作溫度能夠使電堆內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)維持在最佳狀態(tài)。所以，高效的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)能夠有效的提升電堆以及燃料電池整體的性能，壽命，安全性。而高效的熱管理則是通過冷卻液在系統(tǒng)內(nèi)部流動，各部件的溫度控制配合得以實(shí)現(xiàn)。

燃料電池工作的熱量產(chǎn)生主要體現(xiàn)在化學(xué)反應(yīng)放熱、歐姆極化放熱，壓縮空氣帶入熱量以及環(huán)境自身輻射的熱量。其中后兩者產(chǎn)生的熱量與前兩者相比可忽略不計(jì)。

而散熱途徑主要是燃料電池輻射散熱，循環(huán)冷卻水帶走熱量，系統(tǒng)內(nèi)部生成的水的汽化散熱。

通過控制電池工作時(shí)候內(nèi)部產(chǎn)熱和散熱的熱平衡來實(shí)現(xiàn)燃料電池的熱管理。不同廠家熱管理系統(tǒng)的布局和設(shè)計(jì)或有不同，但其主要的零部件，和原理卻存在著相同之處。

主要零部件

循環(huán)水泵

為不同工況的燃料電池系統(tǒng)系統(tǒng)提供某一定值流量、壓力的冷卻液循環(huán)，通過控制流速來控制散熱效率。主要參考指標(biāo)有流量、揚(yáng)程、絕緣性以及電磁兼容（EMC）性。

電子節(jié)溫器

也叫做電子三通閥，通過對冷卻液溫度的感應(yīng)控制冷卻液的流通路徑、進(jìn)入散熱器的冷卻液量。需要具備快速響應(yīng)、內(nèi)部泄露量低的特性。

散熱器

把冷卻液所搭載的熱量傳遞給環(huán)境。要求大風(fēng)量、低噪音、能夠?qū)崿F(xiàn)無級調(diào)節(jié)，根據(jù)溫度反饋對應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)。

中冷器

通過對冷卻液和來自空壓機(jī)的壓縮空氣的熱交換，用冷卻液來冷卻進(jìn)氣，使進(jìn)入電堆的空氣溫度控制在合理范圍之內(nèi)。其具有較大的熱交換量，需要高清潔度和低離子析出率特性。

換熱器

一般是指液-液換熱，通過電堆出來的高溫冷卻液與外部的低溫冷卻液在換熱器中進(jìn)行熱交換，提高熱利用率。

PTC加熱器

由于低溫條件不利于燃料電池啟動，PTC加熱器可以給冷卻液進(jìn)行加熱，能夠盡快把熱量導(dǎo)入電堆，縮短燃料電池啟動時(shí)間。

冷卻液

燃料電池系統(tǒng)主要熱傳導(dǎo)載體。由于需要保證燃料電池運(yùn)行過程中雙極板會產(chǎn)生的高電壓不會通過冷卻介質(zhì)傳導(dǎo)，所以需要要求其具備極低的電導(dǎo)率。其具體的一些參數(shù)特性可以參考上一篇關(guān)于燃料電池專用冷卻液的相關(guān)內(nèi)容。

去離子器

根據(jù)燃料電池對冷卻液低離子電導(dǎo)率的嚴(yán)格要求，去離子器成為燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)中的獨(dú)具的部件。在冷卻管路中安置去離子器以維持冷卻液的電導(dǎo)率維持在一個(gè)穩(wěn)定的水平。其活性物質(zhì)是樹脂，故又稱離子交換樹脂過濾器。

水箱

一般使用膨脹水箱來存儲冷卻液，當(dāng)冷卻液溫度升高，水位上升，回路里冷卻液會回流入膨脹箱，防止水箱壓力過高，反之補(bǔ)充水箱水位。一些車用系統(tǒng)會另外設(shè)置一個(gè)儲熱水箱來實(shí)現(xiàn)液-液換熱和供暖需求。

傳感器

一般是指溫度-壓力一體傳感器，監(jiān)控冷卻液水溫和進(jìn)/出堆兩側(cè)的壓力。有些廠家會加裝電導(dǎo)率傳感器，監(jiān)測冷卻液的電導(dǎo)率變化，當(dāng)電導(dǎo)率超過設(shè)定的閥值時(shí)，開啟去離子器通路，讓冷卻液經(jīng)過去離子器進(jìn)行脫離子；當(dāng)電導(dǎo)率下降到2us以下時(shí)，關(guān)閉這條通路，以延長去離子器的使用壽命。

熱管理系統(tǒng)根據(jù)冷卻液流經(jīng)通道不同一般分為大循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）和小循環(huán)（外循環(huán)）。當(dāng)溫度不高時(shí)，冷卻液經(jīng)由節(jié)溫器出口直接進(jìn)入電堆，帶出氫氣、氧氣以及廢熱后直接進(jìn)入冷卻液水泵形成又一次的循環(huán)叫做小循環(huán)（內(nèi)循環(huán)）。當(dāng)冷卻液溫度過高時(shí)，冷卻液經(jīng)由節(jié)溫器進(jìn)入散熱器、將其中的熱量置換出去后由散熱器出口后在進(jìn)入電堆的循環(huán)叫做大循環(huán)（外循環(huán)）。

此外，根據(jù)不同系統(tǒng)廠家的方案和布局結(jié)構(gòu)也常呈現(xiàn)不同的冷卻管路設(shè)計(jì)。

以下給出幾種常見的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)：