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氫燃料電池冷卻系統散熱解決方案

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2021/12/15     瀏覽次數:    

燃料電池是一種把燃料所具有的化學能直接轉換成電能的化學裝置,又稱電化學發電器。它是繼水力發電、熱能發電和原子能發電之后的第四種發電技術。由于燃料電池是通過電化學反應把燃料的化學能中的吉布斯自由能部分轉換成電能,不受卡諾循環效應的限制,因此效率高; 另外,燃料電池用燃料和氧氣作為原料,同時沒有機械傳動部件,故排放出的有害氣體極少,使用壽命長。由此可見,從節約能源和保護生態環境的角度來看,燃料電池是最有發展前途的發電技術。

燃料電池車的主要組成部分包括:Thermal System:熱管理(冷卻)系統,該系統能夠將燃料電池、電機、功率電子、以及其他零部件維持在其合適的工作溫度上。Batteryauxiliary):輔助電池,就是燃油車上常見的12V輔助電池。DC/DC converter:這里指的是將動力電池的高壓電轉化為輔助電池能夠接受的低壓電的裝置。Power electronics controller:電力電子控制器,能夠管理燃料電池和動力電池的電能,進行電壓控制,并將電能分配給電機控制電機。Transmission:變速器,從電機傳遞機械動力來驅動車輪。Electric Traction Motor:驅動電機,利用來自燃料電池和動力電池組的電能,輸出機械能驅動車輪。另外也能夠回收減速時的動能,轉化為電能。Fuel Cell Stack:燃料電池電堆。將多片燃料電池組裝而成的電能轉化裝置。其一般被置于一個殼體內,國內一般稱之為燃料電池電堆模塊。Fuel Tankhydrogen):儲氫罐,用于儲存氫氣。Fuel Filler:加氫口,特殊設計的金屬嘴,能夠卡住加氫槍,將加入的氫氣送入氫罐中。Battery Pack:電池包(動力電池),較小容量的電池包。

由于氫燃料電池系統的結構特性, 為帶走氫燃料電池工作過程中產生的熱量,冷卻液需流經高電勢的雙極板,(該過程)高壓電可通過冷卻液傳導到外部,對絕緣性要求甚高。因此冷卻系統既要保障燃料電池系統的正常運轉,又要做到絕緣要求。

1.   冷卻系統原理

單獨的燃料電池堆是不能發電并應用于汽車的,它必須和燃料供給與循環系統、氧化劑供給系統、水/熱管理系統和一個能使上述各系統協調工作的控制系統組成燃料電池發電系統,才能對外輸出功率。目前最成熟的技術還是以純氫為燃料,而且系統結構相對簡單,僅由氫源、穩壓閥和循環回路組成。

氫燃料電池汽車的散熱卻是一大難點,主要原因如下:(1)由于電池的不可逆性而產生的化學反應熱。(2)由于歐姆極化而產生的焦耳熱。(3)加濕氣體帶入的熱量。(4)吸收環境輻射熱量。

其中,由于電池的不可逆性產生的廢熱占到轉化的化學能的50%甚至更多。電池排出的尾氣、電池堆的輻射和循環水可以從電池堆中帶走熱量。由于排氣溫度只能在70℃左右,因此通過排氣的散熱遠遠不能同傳統內燃機在幾百度的排氣溫度下所能達到的效果相比,實際計算表明燃料電池的排氣散熱只占總散熱量的3%5%左右。對于輻射散熱,不管是燃料電池發動機還是內燃機,只占很小一部分,而對于燃料電池發動機而言,輻射散熱大約占1%左右。因此,大約有95%的熱量需要通過冷卻水來帶走,而對于發動機而言這個數值只有50%左右,由此可見燃料電池發動機的散熱量相對較高。另外,燃料電池發動機的冷卻水是工作在環境溫度和電池的工作溫度之間,這個溫差明顯要小于內燃機冷卻水工作的溫差,相差大約30℃,可見燃料電池散熱器的散熱更為艱難。

為了滿足不同散熱部件的散熱要求,燃料電池汽車通常有不止一個的冷卻系統,每個冷卻系統相互獨立。氫燃料電池冷卻系統主要包含(主要給氫燃料電池和中冷器冷卻)、PCU冷卻系統(主要給PCU、驅動電機和空壓機冷卻)以及動力電池冷卻系統(主要給動力電池冷卻)。



圖為一種新型氫能汽車燃料電池堆的冷卻系統制作方法

2.氫燃料電池汽車燃料散熱解決方案

燃料電池汽車的散熱解決方案散熱器的散熱同其散熱面積、風速、進出口水溫差、空氣側與水側的溫差成正比,在進出口溫差不變的情況下,若要使散熱量增大則需要通過下面的途徑來達到。

1)增大進氣風速。在其他外在條件不變的情況下,想要增大風速就需要增大風扇的功率,同時為了布置方便,改進功率后風扇的體積不能太大。根據設計計算和試驗研究,選用一臺800W的風扇,較好地解決了散熱問題,但這樣帶來的問題是附屬設施功耗的增加。

2)增大散熱面積。為了增大散熱面積,需要更大的散熱器,這同樣帶來了一個散熱器的布置問題。汽車的前艙空間比較緊湊,增大散熱器面積在汽車前艙的布置中將會非常困難。

某型燃料電池汽車采用了散熱器分開布置的方式,如圖2所示。它采用兩個散熱器依次布置在進氣隔柵后面;同時考慮到若將冷凝器布置在散熱器后面將遇到空間不足的問題,空氣在經過散熱器后已經有很大的溫升,此時作為冷凝器的進氣已經不太適合,所以將冷凝器布置在側面。

采用分塊布置的方式可以有效解決單塊大散熱器不易布置的問題,但是同樣也面臨著布置這些散熱器所面臨的空間不足以及進氣口處理的問題,這需要在車身的形狀上進行相關改動以進行配合。


圖為燃料電池熱管理系統布置方案

3)改變散熱器的位置。若將冷凝器置于散熱器之前,空氣在經過冷凝器之后將會產生一定的溫升,這樣將使進入散熱器的空氣溫度同冷卻水溫度之間的差距進一步縮小,導致了換熱更加困難。

除了上述方案也可以采用另一種布置方式,將冷凝器置于散熱器之后,優先考慮到電池堆的散熱,采用兩個冷凝器散熱的方式,這樣將有效地降低散熱器氣側的溫度,有利于電池堆的散熱,同時兩個冷凝器也能夠滿足空調換熱的需要。

氫燃料電池汽車以其眾多優點代表了未來汽車的發展方向,但仍然面臨著諸多困難,其工作特性決定了燃料電池發動機的散熱要比傳統內燃機汽車更為困難。為了解決這個問題,我們可以考慮下面3個方案:大功率的風扇;增大散熱面積;散熱器位置的改變。相信隨著對燃料電池工作溫度范圍窄等缺點。使用超級電容作為輔助動力源可以緩解加速、爬坡時對動力電池的大電流沖擊,并能及時回收制動時的能量,可以大電流充放電,且循環壽命長,因此超級電容將成為以后燃料電池動力系統的一種方案。

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