技術(shù)科普|從雙極板到燃料電池整車(chē)熱電管理

第一電動(dòng)大牛作者廣東合即得 2019-08-08 13:45

燃料電池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，用燃料和氧氣作為原料，效率高，沒(méi)有機(jī)械傳動(dòng)部件，可靠性高且沒(méi)有噪聲污染，無(wú)有害氣體排放，對(duì)環(huán)境友好等諸方面的優(yōu)點(diǎn)。氫燃料電池汽車(chē)以其高能量密度及完全清潔能源使用過(guò)程等方面的優(yōu)勢(shì)，迅速吸引了整個(gè)社會(huì)的關(guān)注，成為新能源汽車(chē)的最佳替代性方案。

那么未來(lái)，接氫燃料電池汽車(chē)發(fā)展的優(yōu)勢(shì)與技術(shù)難點(diǎn)又在哪里？

01 燃料電池雙極板

雙極板是燃料電池的核心部件，在燃料電池的作用表現(xiàn)在支撐膜電極結(jié)構(gòu)、分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導(dǎo)熱量、提供氫氣和氧氣通道、排出反應(yīng)生成的水、提供冷卻液流道等諸多重要作用，而雙極板本身的性能很大程度取決于其流場(chǎng)結(jié)構(gòu)。

燃料電池在正常工作時(shí)產(chǎn)生的熱量是通過(guò)雙極板上的液冷通道中的冷卻液進(jìn)行散熱，因此雙極板流場(chǎng)設(shè)計(jì)的是否合理，將直接影響到冷卻液流量分布的均勻性，從而影響溫度場(chǎng)的分布。

上圖表明：通過(guò)優(yōu)化流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，提高冷卻液流量的均勻性，冷卻效果差的高溫區(qū)域明顯減少。

目前主流的雙極板主要包括石墨板、金屬板和復(fù)合板等，他們的具體優(yōu)缺點(diǎn)如下所示：

隨著相關(guān)技術(shù)的不斷完善，氫燃料電池雙極板將朝著更加環(huán)保與節(jié)能的方向發(fā)展。

02 整車(chē)熱管理設(shè)計(jì)

事實(shí)上氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)汽車(chē)有著一定的相似性，想要讓一輛氫燃料汽車(chē)上路，做好整車(chē)的水熱管理同樣非常重要。

氫燃料電池的膜電極需有一定的含水量，以保證膜良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性，否則膜易脫水、皺縮甚至破裂，嚴(yán)重阻礙質(zhì)子傳導(dǎo)。如果膜的含水量不能過(guò)多，水過(guò)多就會(huì)淹沒(méi)電極，造成陰極淹沒(méi)，堵塞多孔擴(kuò)散層中的孔隙，嚴(yán)重阻礙 O2 傳輸。

此外，燃料電池工作過(guò)程中大概有45%左右的能量耗散為熱能，如果散熱不好會(huì)導(dǎo)致電池溫度過(guò)高，引起電解質(zhì)膜脫水、收縮甚至破裂，從而影響燃料電池的綜合性能。

另一方面，當(dāng)電池內(nèi)部溫度過(guò)低時(shí)，反應(yīng)生成的水無(wú)法以氣態(tài)形式排出，容易出現(xiàn)“電極淹沒(méi)”現(xiàn)象。并且在相對(duì)低溫環(huán)境下電化學(xué)反應(yīng)速度降低，直接導(dǎo)致電堆性能下降。因此，電堆內(nèi)部的溫度需在電堆工作環(huán)境下將其精確控制在70℃~90℃之間。

目前，燃料電池的有著自然冷卻、風(fēng)冷、水冷等多種方案，但我們都知道，隨著電池功率密度的提升，未來(lái)真正能上路的氫燃料電池汽車(chē)的電堆發(fā)熱量至少是目前2~3倍，熱管理將越來(lái)越成為一個(gè)很有挑戰(zhàn)性的難點(diǎn)。

從技術(shù)角度上來(lái)看，水冷堆的熱管理要比風(fēng)冷堆的復(fù)雜。目前小型的水氫發(fā)電機(jī)使用的是風(fēng)冷燃料電池電堆，而7.5kW的水氫機(jī)模塊里面配套的是水冷堆。

水氫發(fā)電機(jī)

AH7500水氫機(jī)

03 新型整車(chē)系統(tǒng)供電方案

AH7500水氫機(jī)是專(zhuān)門(mén)為電動(dòng)車(chē)研發(fā)的一套注重安全性、實(shí)用性和環(huán)保性的供電系統(tǒng)，由動(dòng)氫模塊、發(fā)電模塊及智能控制模塊組成，動(dòng)氫模塊以甲醇水為原料進(jìn)行催化重整制氫并提純，發(fā)電模塊利用現(xiàn)制高純氫發(fā)電，智能控制模塊則實(shí)現(xiàn)在同一系統(tǒng)中即時(shí)制氫并發(fā)電，整個(gè)制氫發(fā)電過(guò)程均為電化學(xué)反應(yīng)。具有體積小、壽命長(zhǎng)、效率高、性能穩(wěn)定、運(yùn)行時(shí)間長(zhǎng)、安全環(huán)保等特點(diǎn)。

水氫機(jī)原理圖

新能源車(chē)可直接利用AH7500水氫機(jī)為電動(dòng)機(jī)供電，從而為汽車(chē)提供動(dòng)力，水氫機(jī)替代了傳統(tǒng)電動(dòng)汽車(chē)中的鋰電池，只要原料箱中有充足的水氫原料即可保證水氫汽車(chē)的續(xù)航能力。它可有效緩解充電基礎(chǔ)設(shè)施覆蓋不足的問(wèn)題，還可以減少充電設(shè)施的投入。

來(lái)源：第一電動(dòng)網(wǎng)

作者：廣東合即得

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