氫燃料電池冷卻系統(tǒng)散熱解決方案
發(fā)布時(shí)間：
2022-06-02
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)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(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。由此可見，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
燃料電池是一種把燃料所具有的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學(xué)裝置，又稱電化學(xué)發(fā)電器。它是繼水力發(fā)電、熱能發(fā)電和原子能發(fā)電之后的第四種發(fā)電技術(shù)。由于燃料電池是通過電化學(xué)反應(yīng)把燃料的化學(xué)能中的吉布斯自由能部分轉(zhuǎn)換成電能，不受卡諾循環(huán)效應(yīng)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(shí)沒有機(jī)械傳動(dòng)部件，故排放出的有害氣體極少，使用壽命長。由此可見，從節(jié)約能源和保護(hù)生態(tài)環(huán)境的角度來看，燃料電池是最有發(fā)展前途的發(fā)電技術(shù)。
燃料電池車的主要組成部分包括：Thermal System：熱管理(冷卻)系統(tǒng)，該系統(tǒng)能夠?qū)⑷剂想姵?、電機(jī)、功率電子、以及其他零部件維持在其合適的工作溫度上。Battery(auxiliary)：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(dòng)力電池的高壓電轉(zhuǎn)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(dòng)力電池的電能，進(jìn)行電壓控制，并將電能分配給電機(jī)控制電機(jī)。Transmission：變速器，從電機(jī)傳遞機(jī)械動(dòng)力來驅(qū)動(dòng)車輪。Electric Traction Motor：驅(qū)動(dòng)電機(jī)，利用來自燃料電池和動(dòng)力電池組的電能，輸出機(jī)械能驅(qū)動(dòng)車輪。另外也能夠回收減速時(shí)的動(dòng)能，轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化裝置。其一般被置于一個(gè)殼體內(nèi)，國內(nèi)一般稱之為燃料電池電堆模塊。Fuel Tank(hydrogen)：儲(chǔ)氫罐，用于儲(chǔ)存氫氣。Fuel Filler：加氫口，特殊設(shè)計(jì)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(dòng)力電池)，較小容量的電池包。
由于氫燃料電池系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性, 為帶走氫燃料電池工作過程中產(chǎn)生的熱量，冷卻液需流經(jīng)高電勢的雙極板，(該過程)高壓電可通過冷卻液傳導(dǎo)到外部，對絕緣性要求甚高。因此冷卻系統(tǒng)既要保障燃料電池系統(tǒng)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，又要做到絕緣要求。
1. 冷卻系統(tǒng)原理
單獨(dú)的燃料電池堆是不能發(fā)電并應(yīng)用于汽車的，它必須和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個(gè)能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，才能對外輸出功率。目前最成熟的技術(shù)還是以純氫為燃料，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，僅由氫源、穩(wěn)壓閥和循環(huán)回路組成。
氫燃料電池汽車的散熱卻是一大難點(diǎn)，主要原因如下：(1)由于電池的不可逆性而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱。(2)由于歐姆極化而產(chǎn)生的焦耳熱。(3)加濕氣體帶入的熱量。(4)吸收環(huán)境輻射熱量。
其中，由于電池的不可逆性產(chǎn)生的廢熱占到轉(zhuǎn)化的化學(xué)能的50%甚至更多。電池排出的尾氣、電池堆的輻射和循環(huán)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(yuǎn)遠(yuǎn)不能同傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在幾百度的排氣溫度下所能達(dá)到的效果相比，實(shí)際計(jì)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(fā)動(dòng)機(jī)還是內(nèi)燃機(jī)，只占很小一部分，而對于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)而言這個(gè)數(shù)值只有50%左右，由此可見燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量相對較高。另外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水是工作在環(huán)境溫度和電池的工作溫度之間，這個(gè)溫差明顯要小于內(nèi)燃機(jī)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(gè)的冷卻系統(tǒng)，每個(gè)冷卻系統(tǒng)相互獨(dú)立。氫燃料電池冷卻系統(tǒng)主要包含(主要給氫燃料電池和中冷器冷卻)、PCU冷卻系統(tǒng)(主要給PCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和空壓機(jī)冷卻)以及動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)(主要給動(dòng)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(tǒng)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(fēng)速、進(jìn)出口水溫差、空氣側(cè)與水側(cè)的溫差成正比，在進(jìn)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(dá)到。
(1)增大進(jìn)氣風(fēng)速。在其他外在條件不變的情況下，想要增大風(fēng)速就需要增大風(fēng)扇的功率，同時(shí)為了布置方便，改進(jìn)功率后風(fēng)扇的體積不能太大。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)研究，選用一臺(tái)800W的風(fēng)扇，較好地解決了散熱問題，但這樣帶來的問題是附屬設(shè)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(gè)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(huì)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(gè)散熱器依次布置在進(jìn)氣隔柵后面;同時(shí)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(jīng)過散熱器后已經(jīng)有很大的溫升，此時(shí)作為冷凝器的進(jìn)氣已經(jīng)不太適合，所以將冷凝器布置在側(cè)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(jìn)氣口處理的問題，這需要在車身的形狀上進(jìn)行相關(guān)改動(dòng)以進(jìn)行配合。
圖為燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)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(jīng)過冷凝器之后將會(huì)產(chǎn)生一定的溫升，這樣將使進(jìn)入散熱器的空氣溫度同冷卻水溫度之間的差距進(jìn)一步縮小，導(dǎo)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(yōu)先考慮到電池堆的散熱，采用兩個(gè)冷凝器散熱的方式，這樣將有效地降低散熱器氣側(cè)的溫度，有利于電池堆的散熱，同時(shí)兩個(gè)冷凝器也能夠滿足空調(diào)換熱的需要。
氫燃料電池汽車以其眾多優(yōu)點(diǎn)代表了未來汽車的發(fā)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(fā)動(dòng)機(jī)的散熱要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更為困難。為了解決這個(gè)問題，我們可以考慮下面3個(gè)方案：大功率的風(fēng)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(diǎn)。使用超級電容作為輔助動(dòng)力源可以緩解加速、爬坡時(shí)對動(dòng)力電池的大電流沖擊，并能及時(shí)回收制動(dòng)時(shí)的能量，可以大電流充放電，且循環(huán)壽命長，因此超級電容將成為以后燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的一種方案。
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