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从液冷金属双极板到实现氢燃料电池汽车整车水热管理解析

时间:  2019-07-29 15:27  来源:  祥博传热   作者:  网络转载

目前我们在马路上看到的新能源汽车大多为锂电池纯电动汽车,经过十几年的发展,相关技术已趋于成熟,车辆也已量化生产并逐渐进入市场。

但由于锂电池本身所存在的一些先天缺陷,电动汽车在续航能力和充电时间上无法与传统燃油车媲美,始终无法解决困扰用户的两大难题:里程焦虑和充电焦虑。

即使充电速度最快的特斯拉最新V3超级充电桩,其峰值功率提升到 250kW,在15分钟也只能充进50%的电量,而传热的燃油汽车,只需1分钟左右就可加满,续航600km左右。同时新能源汽车在相关基础设施及整车制造成本等方面的限制日益凸显。

此外目前越来越多的锂电池汽车起火事故引发人们对于汽车安全性的担忧,锂电池汽车的发展似乎已经遭遇到了瓶颈。

与此同时,氢燃料电池汽车以其高能量密度及完全清洁能源使用过程等方面的优势,迅速吸引了整个社会的关注,成为新能源汽车行业的新型替代性方案。

那么未来,氢燃料电池是否有机会取代锂电池,相比较锂电池汽车,氢燃料电池汽车发展的优势与技术难点又在哪里?

燃料电池是一种把燃料所具有的化学能直接转换成电能的化学装置,用燃料和氧气作为原料,具有不受卡诺循环效应的限制,效率高,没有机械传动部件,可靠性高且没有噪声污染,无有害气体排放,对环境友好等诸方面的优点。

整车热管理设计

事实上氢燃料电池的产业链与传统汽车有着一定的相似性,除了制氢与加氢设备及氢燃料电池本身的制造这两方面的技术难点,想要让一辆氢燃料汽车上路,做好整车的水热管理同样非常重要。

氢燃料电池的膜电极需有一定的含水量,以保证膜良好的质子传导性,否则膜易脱水、皱缩甚至破裂,严重阻碍质子传导;同时膜的含水量不能过多,水过多就会淹没电极,造成阴极淹没,堵塞多孔扩散层中的孔隙,严重阻碍 O2 传输。

同时,燃料电池在工作过程中约有 40% ~ 50% 的能量耗散为热能,如果散热不好极容易导致电池温度过高,引起电解质膜脱水、收缩甚至破裂。

另一方面,当电池内部温度过低时,反应生成的水无法以气态形式排出,容易出现“电极淹没”现象。并且在相对低温环境下电化学反应速度降低,直接导致电堆性能下降。因此,电堆内部的温度需在电堆工作环境下将其精确控制在70℃~90℃之间。

目前,燃料电池的有着自然冷却、风冷、水冷等多种方案,但我们都知道,随着电池功率密度的提升,未来真正能上路的氢燃料电池汽车的电堆发热量至少是目前2~3倍,热管理将越来越成为一个很有挑战性的难点。

燃料电池双极板

双极板作为燃料电池的核心部件,在燃料电池中起到了膜电极结构支撑、分隔氢气和氧气、收集电子、传导热量、提供氢气和氧气通道、排出反应生成的水、提供冷却液流道等诸多重要作用,而双极板本身的性能很大程度取决于其流场结构。

燃料电池在正常工作时产生的热量是通过双极板上的液冷通道中的冷却液进行散热,因此双极板流场设计的是否合理,将直接影响到冷却液流量分布的均匀性,从而影响温度场的均匀性。从上图中可以看出:通过改进流场结构,提高冷却液流量的均匀性,冷却效果差的高温区域明显减少。

目前研制的双极板主要有石墨板、金属板和复合板等几种方式,他们的具体优缺点如下所示:

随着燃料电池汽车相关技术的不断完善,更加环保与节能的氢燃料电池极有可能成为未来汽车发展的核心方向。在解决相关动力技术问题的同时,我们能否给燃料电池汽车配备安全的水热管理系统,让汽车更轻盈的奔跑起来呢?
 

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