水氫汽車

技術科普|從雙極板到燃料電池整車熱電管理

第一電動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能直接轉(zhuǎn)換成電能的化學裝置，用燃料和氧氣作為原料，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(huán)境友好等諸方面的優(yōu)點。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(yōu)勢，迅速吸引了整個社會的關注，成為新能源汽車的最佳替代性方案。

那么未來，接氫燃料電池汽車發(fā)展的優(yōu)勢與技術難點又在哪里？

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(jié)構(gòu)。

燃料電池在正常工作時產(chǎn)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，從而影響溫度場的分布。

上圖表明：通過優(yōu)化流場結(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、金屬板和復合板等，他們的具體優(yōu)缺點如下所示：

隨著相關技術的不斷完善，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 整車熱管理設計

事實上氫燃料電池的產(chǎn)業(yè)鏈與傳統(tǒng)汽車有著一定的相似性，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(zhì)子傳導性，否則膜易脫水、皺縮甚至破裂，嚴重阻礙質(zhì)子傳導。如果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。

此外，燃料電池工作過程中大概有45%左右的能量耗散為熱能，如果散熱不好會導致電池溫度過高，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，當電池內(nèi)部溫度過低時，反應生成的水無法以氣態(tài)形式排出，容易出現(xiàn)“電極淹沒”現(xiàn)象。并且在相對低溫環(huán)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(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(fā)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(zhàn)性的難點。

從技術角度上來看，水冷堆的熱管理要比風冷堆的復雜。目前小型的水氫發(fā)電機使用的是風冷燃料電池電堆，而7.5kW的水氫機模塊里面配套的是水冷堆。

水氫發(fā)電機

AH7500水氫機

03 新型整車系統(tǒng)供電方案

AH7500水氫機是專門為電動車研發(fā)的一套注重安全性、實用性和環(huán)保性的供電系統(tǒng)，由動氫模塊、發(fā)電模塊及智能控制模塊組成，動氫模塊以甲醇水為原料進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，智能控制模塊則實現(xiàn)在同一系統(tǒng)中即時制氫并發(fā)電，整個制氫發(fā)電過程均為電化學反應。具有體積小、壽命長、效率高、性能穩(wěn)定、運行時間長、安全環(huán)保等特點。