技术科普|从双极板到燃料电池整车热电管理
发布时间:2019-08-07
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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,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。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,成为新能源汽车的最佳替代性方案。

 
那么未来,接氢燃料电池汽车发展的优势与技术难点又在哪里?


  

01

燃料电池双极板


双极板是燃料电池的核心部件,在燃料电池的作用表现在支撑膜电极结构、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,从而影响温度场的分布

 


 

上图表明:通过优化流场结构,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。


目前主流的双极板主要包括石墨板、金属板和复合板等,他们的具体优缺点如下所示:



 

随着相关技术的不断完善,氢燃料电池双极板将朝着更加环保与节能的方向发展。
 

02

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,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。如果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。


此外,燃料电池工作过程中大概有45%左右的能量耗散为热能,如果散热不好会导致电池温度过高,引起电解质膜脱水、收缩甚至破裂,从而影响燃料电池的综合性能
 
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。
 
从技术角度上来看,水冷堆的热管理要比风冷堆的复杂。目前小型的水氢发电机使用的是风冷燃料电池电堆,而7.5kW的水氢机模块里面配套的是水冷堆。


水氢发电机

AH7500水氢机



03

新型整车系统供电方案 

 

AH7500水氢机是专门为电动车研发的一套注重安全性、实用性和环保性的供电系统,由动氢模块、发电模块及智能控制模块组成,动氢模块以甲醇水为原料进行催化重整制氢并提纯,发电模块利用现制高纯氢发电,智能控制模块则实现在同一系统中即时制氢并发电,整个制氢发电过程均为电化学反应。具有体积小、寿命长、效率高、性能稳定、运行时间长、安全环保等特点。

 

水氢机原理图


 


新能源车可直接利用AH7500水氢机为电动机供电,从而为汽车提供动力,水氢机替代了传统电动汽车中的锂电池,只要原料箱中有充足的水氢原料即可保证水氢汽车的续航能力。它可有效缓解充电基础设施覆盖不足的问题,还可以减少充电设施的投入。


素材来源:祥博传热
综合编辑:小合
备注:本文信息仅供分享交流