氢燃料电池冷却系统散热解决方案


发布时间:

2022-06-02

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,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高; 另外,燃料电池用燃料和氧气作为原料,同时没有机械传动部件,故排放出的有害气体极少,使用寿命长。由此可见,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术。

  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,又称电化学发电器。它是继水力发电、热能发电和原子能发电之后的第四种发电技术。由于燃料电池是通过电化学反应把燃料的化学能中的吉布斯自由能部分转换成电能,不受卡诺循环效应的限制,因此效率高; 另外,燃料电池用燃料和氧气作为原料,同时没有机械传动部件,故排放出的有害气体极少,使用寿命长。由此可见,从节约能源和保护生态环境的角度来看,燃料电池是最有发展前途的发电技术。

  燃料电池车的主要组成部分包括:Thermal System:热管理(冷却)系统,该系统能够将燃料电池、电机、功率电子、以及其他零部件维持在其合适的工作温度上。Battery(auxiliary):辅助电池,就是燃油车上常见的12V辅助电池。DC/DC converter:这里指的是将动力电池的高压电转化为辅助电池能够接受的低压电的装置。Power electronics controller:电力电子控制器,能够管理燃料电池和动力电池的电能,进行电压控制,并将电能分配给电机控制电机。Transmission:变速器,从电机传递机械动力来驱动车轮。Electric Traction Motor:驱动电机,利用来自燃料电池和动力电池组的电能,输出机械能驱动车轮。另外也能够回收减速时的动能,转化为电能。Fuel Cell Stack:燃料电池电堆。将多片燃料电池组装而成的电能转化装置。其一般被置于一个壳体内,国内一般称之为燃料电池电堆模块。Fuel Tank(hydrogen):储氢罐,用于储存氢气。Fuel Filler:加氢口,特殊设计的金属嘴,能够卡住加氢枪,将加入的氢气送入氢罐中。Battery Pack:电池包(动力电池),较小容量的电池包。

  由于氢燃料电池系统的结构特性, 为带走氢燃料电池工作过程中产生的热量,冷却液需流经高电势的双极板,(该过程)高压电可通过冷却液传导到外部,对绝缘性要求甚高。因此冷却系统既要保障燃料电池系统的正常运转,又要做到绝缘要求。

  1. 冷却系统原理

  单独的燃料电池堆是不能发电并应用于汽车的,它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统,才能对外输出功率。目前最成熟的技术还是以纯氢为燃料,而且系统结构相对简单,仅由氢源、稳压阀和循环回路组成。

  氢燃料电池汽车的散热却是一大难点,主要原因如下:(1)由于电池的不可逆性而产生的化学反应热。(2)由于欧姆极化而产生的焦耳热。(3)加湿气体带入的热量。(4)吸收环境辐射热量。

  其中,由于电池的不可逆性产生的废热占到转化的化学能的50%甚至更多。电池排出的尾气、电池堆的辐射和循环水可以从电池堆中带走热量。由于排气温度只能在70℃左右,因此通过排气的散热远远不能同传统内燃机在几百度的排气温度下所能达到的效果相比,实际计算表明燃料电池的排气散热只占总散热量的3%~5%左右。对于辐射散热,不管是燃料电池发动机还是内燃机,只占很小一部分,而对于燃料电池发动机而言,辐射散热大约占1%左右。因此,大约有95%的热量需要通过冷却水来带走,而对于发动机而言这个数值只有50%左右,由此可见燃料电池发动机的散热量相对较高。另外,燃料电池发动机的冷却水是工作在环境温度和电池的工作温度之间,这个温差明显要小于内燃机冷却水工作的温差,相差大约30℃,可见燃料电池散热器的散热更为艰难。

  为了满足不同散热部件的散热要求,燃料电池汽车通常有不止一个的冷却系统,每个冷却系统相互独立。氢燃料电池冷却系统主要包含(主要给氢燃料电池和中冷器冷却)、PCU冷却系统(主要给PCU、驱动电机和空压机冷却)以及动力电池冷却系统(主要给动力电池冷却)。

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  图为一种新型氢能汽车燃料电池堆的冷却系统制作方法

  2.氢燃料电池汽车燃料散热解决方案

  燃料电池汽车的散热解决方案散热器的散热同其散热面积、风速、进出口水温差、空气侧与水侧的温差成正比,在进出口温差不变的情况下,若要使散热量增大则需要通过下面的途径来达到。

  (1)增大进气风速。在其他外在条件不变的情况下,想要增大风速就需要增大风扇的功率,同时为了布置方便,改进功率后风扇的体积不能太大。根据设计计算和试验研究,选用一台800W的风扇,较好地解决了散热问题,但这样带来的问题是附属设施功耗的增加。

  (2)增大散热面积。为了增大散热面积,需要更大的散热器,这同样带来了一个散热器的布置问题。汽车的前舱空间比较紧凑,增大散热器面积在汽车前舱的布置中将会非常困难。

  某型燃料电池汽车采用了散热器分开布置的方式,如图2所示。它采用两个散热器依次布置在进气隔栅后面;同时考虑到若将冷凝器布置在散热器后面将遇到空间不足的问题,空气在经过散热器后已经有很大的温升,此时作为冷凝器的进气已经不太适合,所以将冷凝器布置在侧面。

  采用分块布置的方式可以有效解决单块大散热器不易布置的问题,但是同样也面临着布置这些散热器所面临的空间不足以及进气口处理的问题,这需要在车身的形状上进行相关改动以进行配合。

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  图为燃料电池热管理系统布置方案

  3)改变散热器的位置。若将冷凝器置于散热器之前,空气在经过冷凝器之后将会产生一定的温升,这样将使进入散热器的空气温度同冷却水温度之间的差距进一步缩小,导致了换热更加困难。

  除了上述方案也可以采用另一种布置方式,将冷凝器置于散热器之后,优先考虑到电池堆的散热,采用两个冷凝器散热的方式,这样将有效地降低散热器气侧的温度,有利于电池堆的散热,同时两个冷凝器也能够满足空调换热的需要。

  氢燃料电池汽车以其众多优点代表了未来汽车的发展方向,但仍然面临着诸多困难,其工作特性决定了燃料电池发动机的散热要比传统内燃机汽车更为困难。为了解决这个问题,小金体育游戏可以考虑下面3个方案:大功率的风扇;增大散热面积;散热器位置的改变。相信随着对燃料电池工作温度范围窄等缺点。使用超级电容作为辅助动力源可以缓解加速、爬坡时对动力电池的大电流冲击,并能及时回收制动时的能量,可以大电流充放电,且循环寿命长,因此超级电容将成为以后燃料电池动力系统的一种方案。

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