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三分钟看懂燃料电池——水热管理系统

发布日期: 2021-02-07
浏览人气: 725

燃料电池分为五个子系统——氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统、燃料电池电堆和控制子系统。今天我们着重讲一下水热管理系统

 

图:质子交换膜上的水分布

 

一、水热管理系统

燃料电池的水热管理指通过控制流经电堆的冷却液流量进行燃料电池电堆的温度控制。本质上来讲,燃料电池的水管理和热管理是密不可分的, 因为电堆内的水含量也与电堆温度有关,温度会改变饱和水蒸气压力,进而影响电堆内水蒸气的含量,所以通过热管理系统可以同时影响系统内的水平衡与热平衡。

01

水热管理系统的组成

一个典型的燃料电池冷却液循环回路主要包含:①水泵、②节温器、③去离子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥散热器及和⑦冷却管路。

 

图:燃料电池冷却液循环回路

02

水热管理系统的意义

水管理的核心任务是使膜电极(MEA)中具有合理的水含量,以保证氢离子能够良好的在膜中传导。如果质子膜内的水含量较少,便会导致质子传导受阻,造成欧姆极化过电位增大,极易引发膜干涸现象;但是电堆内的水又不能过多,否则又容易造成阴极淹没,导致反应气的传输受阻,增加了电堆的活化极化过电位与浓差极化过电位。

 

热管理的核心任务是将燃料电池的工作温度控制在安全合理的范围。如果工作温度过低,电堆的活化极化损失会增强,导致电堆的性能变差;如果工作温度过高,又容易导致膜水干,使欧姆极化损失加大,导致电堆性能下降。

 

二、水泵

水泵相当于燃料电池水热管理的“心脏”,它通过控制管路中冷却液的流速进而控制散热强度。为了保证电堆产生的热量能够快速有效的散发出去,水泵需要具备大流量、高扬程、绝缘以及EMC(电磁兼容)表现好的特点。

 

图:水泵

 

三、节温器

节温器的作用是改变冷却液的流通路径,当电堆冷启动温度低时控制冷却液不流经散热器,确保电堆温度迅速达到工作温度(小循环),当电堆温度过高时控制冷却液流经散热器进而达到散热的作用(大循环)。燃料电池系统对节温器的要求是响应速度快、内部泄漏量低

 

图:冷却液的小循环与大循环路径

 

四、去离子器

去离子器应用在燃料电池发动机的冷却系统中,主要用于去除冷却液中的导电离子。在燃料电池运行中,双极板上会产生高电压,但同时要求此高电压不会通过双极板中间的冷却液传递到整个冷却循环流道,因此要求冷却液不能够导电。

去离子器的活性物质是树脂,存放在避免高温,暴晒的普通环境下。树脂的有效期很长,通常都在三到五年甚至以上。

 

图:去离子器

 

五、中冷器

中冷器的作用是冷却来自空压机的压缩空气,它通过冷却液和空气的热交换来降低压缩空气温度,使进入电堆的空气温度在合理的范围内,主要结构由芯体、主板、水室和气室组成。中冷器的特点是热交换量大,清洁度要求高及离子释放率低。

图:中冷器

 

六、水暖PTC

PTC发热体又叫PTC加热器,采用PTC陶瓷发热元件与铝管组成。该类型PTC发热体有热阻小、换热效率高的优点,是一种自动恒温、省电的电加热器。

 

图:水暖PTC

 

七、散热器

散热器的作用是将冷却液的热量传递给环境,降低冷却液的温度。散热器要求散热量较大,清洁度要求高、离子释放率低,散热风扇要求风量大、噪音低、无级调速并需要反馈相应的运行状态。

 

图:散热器

 

文章来源:新兴产业观察者

 
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