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常見問題

氫燃料電池熱管理方案

文字:[大][中][小] 手機頁面二維碼 2020/12/18     瀏覽次數:    
    質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有高效、清潔、零排放等優點,具有廣泛的應用前景。在實際應用中,PEMFC的燃料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。


  熱管理的重要性  

燃料電池工作過程中熱量的主要來源有歐姆電阻的產熱、反應的熵熱、不可逆的電化學反應熱、水蒸氣冷凝放熱、壓縮空氣帶入的熱量和環境輻射熱量,后兩項可忽略不計。
目前多數PEMFC采用Nafion系列膜,工作溫度并不高,通常在75~80℃。溫度達到80℃以上,質子交換膜熱穩定性和質子傳導能力將會下降,嚴重時會出現膜脫水的現象,導致電導率急劇降低。同時,工作溫度過高,也會加速催化劑的衰減。當溫度高于130℃會使膜產生不可逆的損害,局部熱點會導致膜穿孔,最終影響PEMFC電堆運行的安全性。所以為了保持燃料電池在正常溫度范圍內工作,必須將熱量從燃料電池排出。


燃料電池的冷卻方案

燃料電池的散熱途徑主要有三種:燃料電池內部生成的水汽化散熱,電堆輻射散熱,循環冷卻介質帶走熱量。循環冷卻介質帶走熱量是燃料電池的主要散熱途徑。對于PEMFC,冷卻方式分為兩大類:單相冷卻方式和相變冷卻方式。

 

 單相冷卻  

單相冷卻方式是利用冷卻介質的顯熱帶走燃料電池工作過程產生的熱量,主要有空氣冷卻和液體冷卻兩種類型,是目前應用較為廣泛的冷卻技術。


(1) 空氣冷卻

空氣冷卻是簡單的冷卻方法,通過冷卻板或陰極傳遞空氣,帶走燃料電池產生的廢熱,冷卻系統的結構也相對簡單。這種散熱方式多用于零部件少、成本低、系統效率高的小功率(≤5kW)PEMFC系統中,如無人機動力系統、便捷式電源。


2) 液體冷卻

液體冷卻是在燃料電池陰、陽極板之間設計獨立的冷卻液流道,依靠冷卻液強制對流換熱,將燃料電池工作過程產生的熱量帶走。

冷卻液可以是去離子水或者水和乙二醇的混合物。液體的比熱容比空氣大,與空氣冷卻相比,液體冷卻具有高熱轉移能力、低流速等優點。采用液體冷卻的冷卻方法,燃料電池的溫度分布更為均勻,但零部件多、結構復雜,散熱所用的附件功耗大,一般占有效輸出功率的10%左右。對于大功率(大于5kW)的燃料電池,如車用燃料電池,液體冷卻是常用的冷卻方法。

以車用燃料電池為例,其熱管理系統主要包括冷卻劑泵、熱交換器、水箱、風扇、壓力傳感器等部件。

在冷卻液循環部分中,冷卻液由水箱通過冷卻水泵進入電堆,流出電堆后進入節溫器,通過節溫器自動調節進入大循環和小循環的流量。大循環經過散熱器,較高的熱量由散熱器帶走,溫度降低的冷卻液由散熱器出口進入電堆,將電堆內部反應余熱排出后重新回到冷卻水泵入口;小循環不經過散熱器,冷卻液由節溫器出口直接進入電堆,將電堆中的反應廢熱帶出,再次回到冷卻水泵入口。


  相變冷卻  

相變冷卻是利用物體相變時會吸收大量熱的特性來對熱源進行冷卻。燃料電池常用的相變冷卻方法有蒸發冷卻、熱管散熱。

(1) 蒸發冷卻

燃料電池的蒸發冷卻是冷卻液和空氣一起從陰極側進入系統,所選用的冷卻液一般為去離子水。冷卻液可以加濕空氣,提升質子交換膜含水量,提升燃料電池性能;同時,大部分冷卻液會被空氣帶入反應熱源核心區域被蒸發掉,帶走反應生成的熱量。蒸發冷卻的燃料電池系統無需加濕器,蒸發和冷凝換熱比單相對流換熱更高效,大幅度降低冷卻水泵和散熱器的負荷。


(2) 熱管散熱

熱管散熱是將熱管嵌入雙極板,在無外部動力的情況下,熱管將大量熱通過截面積進行遠距離傳輸散熱。熱管的材質一般為銅或鋁合金,能保證熱源面溫度保持較好的均布性。熱管散熱技術在燃料電池應用領域的應用研究剛起步,需要進一步研發。


  總結與展望  

熱管理對燃料電池性能十分重要,影響燃料電池的效率、壽命、安全性等。目前燃料電池領域運用得較為廣泛的技術是單相冷卻。相變冷卻技術具有均勻、高效等特點,是非常值得研究的方向。

同時,有效的熱管理控制策略也是確保燃料電池正常工作的關鍵,如當燃料電池溫度升高,熱管理系統無法提供足夠散熱量,動力系統控制平臺的控制策略應考慮采用限制燃料電池輸出功率等措施,以提高燃料電池的壽命、安全性、耐久性等。

要提高燃料電池熱管理系統的散熱能力,還需要從提高燃料電池工作溫度、改進燃料電池材料溫度特性等方面入手。例如,若將燃料電池工作溫度提高到95℃,熱管理系統的散熱功率會提升50%以上。日本NEDO發布的燃料電池堆棧性能路線圖中提出,至2040年,燃料電池堆最大工作溫度目標值為120℃。提升燃料電池工作溫度是從根本上解決燃料電池熱管理系統技術瓶頸的途徑。



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