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從液冷金屬雙極板到實現氫燃料電池汽車整車水熱管理

從液冷金屬雙極板到實現氫燃料電池汽車整車水熱管理

發布時間:
2019/08/28 16:00
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【摘要】:
解析液冷金屬雙極板相關技術,并延伸到氫能源汽車整車熱管理相關內容

在你的城市,是否也已經開始出現佩戴著清新綠牌的新能源汽車了呢?


 

目前我們在馬路上看到的新能源汽車大多為鋰電池純電動汽車,經過十幾年的發展,相關技術已趨于成熟,車輛也已量化生產并逐漸進入市場。

 

 

但由于鋰電池本身所存在的一些先天缺陷,電動汽車在續航能力和充電時間上無法與傳統燃油車媲美,始終無法解決困擾用戶的兩大難題:里程焦慮和充電焦慮。

 

即使充電速度最快的特斯拉最新V3超級充電樁,其峰值功率提升到250kW,在15分鐘也只能充進50%的電量,而傳熱的燃油汽車,只需1分鐘左右就可加滿,續航600km左右。同時新能源汽車在相關基礎設施及整車制造成本等方面的限制日益凸顯。

 

此外目前越來越多的鋰電池汽車起火事故引發人們對于汽車安全性的擔憂,鋰電池汽車的發展似乎已經遭遇到了瓶頸。

 

 

與此同時,氫燃料電池汽車以其高能量密度及完全清潔能源使用過程等方面的優勢,迅速吸引了整個社會的關注,成為新能源汽車行業的新型替代性方案。

 

那么未來,氫燃料電池是否有機會取代鋰電池,相比較鋰電池汽車,氫燃料電池汽車發展的優勢與技術難點又在哪里?

 

 

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,用燃料和氧氣作為原料,具有不受卡諾循環效應的限制,效率高,沒有機械傳動部件,可靠性高且沒有噪聲污染,無有害氣體排放,對環境友好等諸方面的優點。

 

 

 

整車熱管理設計

 

事實上氫燃料電池的產業鏈與傳統汽車有著一定的相似性,除了制氫與加氫設備及氫燃料電池本身的制造這兩方面的技術難點,想要讓一輛氫燃料汽車上路,做好整車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,以保證膜良好的質子傳導性,否則膜易脫水、皺縮甚至破裂,嚴重阻礙質子傳導;同時膜的含水量不能過多,水過多就會淹沒電極,造成陰極淹沒,堵塞多孔擴散層中的孔隙,嚴重阻礙O2 傳輸。

 

 

同時,燃料電池在工作過程中約有40% ~ 50% 的能量耗散為熱能,如果散熱不好極容易導致電池溫度過高,引起電解質膜脫水、收縮甚至破裂。

 

另一方面,當電池內部溫度過低時,反應生成的水無法以氣態形式排出,容易出現“電極淹沒”現象。并且在相對低溫環境下電化學反應速度降低,直接導致電堆性能下降。因此,電堆內部的溫度需在電堆工作環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,未來真正能上路的氫燃料電池汽車的電堆發熱量至少是目前2~3倍,熱管理將越來越成為一個很有挑戰性的難點。

 

 

 

燃料電池雙極板

 

雙極板作為燃料電池的核心部件,在燃料電池中起到了膜電極結構支撐、分隔氫氣和氧氣、收集電子、傳導熱量、提供氫氣和氧氣通道、排出反應生成的水、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結構。

 

燃料電池在正常工作時產生的熱量是通過雙極板上的液冷通道中的冷卻液進行散熱,因此雙極板流場設計的是否合理,將直接影響到冷卻液流量分布的均勻性,從而影響溫度場的均勻性。從上圖中可以看出:通過改進流場結構,提高冷卻液流量的均勻性,冷卻效果差的高溫區域明顯減少。

 

目前研制的雙極板主要有石墨板、金屬板和復合板等幾種方式,他們的具體優缺點如下所示:

 

隨著燃料電池汽車相關技術的不斷完善,更加環保與節能的氫燃料電池極有可能成為未來汽車發展的核心方向。在解決相關動力技術問題的同時,我們能否給燃料電池汽車配備安全的水熱管理系統,讓汽車更輕盈的奔跑起來呢?

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