三分鐘看懂燃料電池——水熱管理系統(tǒng)

燃料電池分為五個(gè)子系統(tǒng)——氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)、燃料電池電堆和控制子系統(tǒng)。今天我們著重講一下水熱管理系統(tǒng)。

燃料電池的水熱管理指通過(guò)控制流經(jīng)電堆的冷卻液流量進(jìn)行燃料電池電堆的溫度控制。本質(zhì)上來(lái)講，燃料電池的水管理和熱管理是密不可分的， 因?yàn)殡姸褍?nèi)的水含量也與電堆溫度有關(guān)，溫度會(huì)改變飽和水蒸氣壓力，進(jìn)而影響電堆內(nèi)水蒸氣的含量，所以通過(guò)熱管理系統(tǒng)可以同時(shí)影響系統(tǒng)內(nèi)的水平衡與熱平衡。

一個(gè)典型的燃料電池冷卻液循環(huán)回路主要包含:①水泵、②節(jié)溫器、③去離子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥散熱器及和⑦冷卻管路。

水管理的核心任務(wù)是使膜電極（MEA）中具有合理的水含量，以保證氫離子能夠良好的在膜中傳導(dǎo)。如果質(zhì)子膜內(nèi)的水含量較少，便會(huì)導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)受阻，造成歐姆極化過(guò)電位增大，極易引發(fā)膜干涸現(xiàn)象；但是電堆內(nèi)的水又不能過(guò)多，否則又容易造成陰極淹沒(méi)，導(dǎo)致反應(yīng)氣的傳輸受阻，增加了電堆的活化極化過(guò)電位與濃差極化過(guò)電位。

熱管理的核心任務(wù)是將燃料電池的工作溫度控制在安全合理的范圍。如果工作溫度過(guò)低，電堆的活化極化損失會(huì)增強(qiáng)，導(dǎo)致電堆的性能變差；如果工作溫度過(guò)高，又容易導(dǎo)致膜水干，使歐姆極化損失加大，導(dǎo)致電堆性能下降。

水泵相當(dāng)于燃料電池水熱管理的“心臟"，它通過(guò)控制管路中冷卻液的流速進(jìn)而控制散熱強(qiáng)度。為了保證電堆產(chǎn)生的熱量能夠快速有效的散發(fā)出去，水泵需要具備大流量、高揚(yáng)程、絕緣以及EMC（電磁兼容）表現(xiàn)好的特點(diǎn)。

節(jié)溫器的作用是改變冷卻液的流通路徑，當(dāng)電堆冷啟動(dòng)溫度低時(shí)控制冷卻液不流經(jīng)散熱器，確保電堆溫度迅速達(dá)到工作溫度（小循環(huán)），當(dāng)電堆溫度過(guò)高時(shí)控制冷卻液流經(jīng)散熱器進(jìn)而達(dá)到散熱的作用（大循環(huán)）。燃料電池系統(tǒng)對(duì)節(jié)溫器的要求是響應(yīng)速度快、內(nèi)部泄漏量低。

去離子器應(yīng)用在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)中，主要用于去除冷卻液中的導(dǎo)電離子。在燃料電池運(yùn)行中，雙極板上會(huì)產(chǎn)生高電壓，但同時(shí)要求此高電壓不會(huì)通過(guò)雙極板中間的冷卻液傳遞到整個(gè)冷卻循環(huán)流道，因此要求冷卻液不能夠?qū)щ姟?/p>

去離子器的活性物質(zhì)是樹(shù)脂，存放在避免高溫，暴曬的普通環(huán)境下。樹(shù)脂的有效期很長(zhǎng)，通常都在三到五年甚至以上。

中冷器的作用是冷卻來(lái)自空壓機(jī)的壓縮空氣，它通過(guò)冷卻液和空氣的熱交換來(lái)降低壓縮空氣溫度，使進(jìn)入電堆的空氣溫度在合理的范圍內(nèi)，主要結(jié)構(gòu)由芯體、主板、水室和氣室組成。中冷器的特點(diǎn)是熱交換量大，清潔度要求高及離子釋放率低。

PTC發(fā)熱體又叫PTC加熱器，采用PTC陶瓷發(fā)熱元件與鋁管組成。該類型PTC發(fā)熱體有熱阻小、換熱效率高的優(yōu)點(diǎn)，是一種自動(dòng)恒溫、省電的電加熱器。

散熱器的作用是將冷卻液的熱量傳遞給環(huán)境，降低冷卻液的溫度。散熱器要求散熱量較大，清潔度要求高、離子釋放率低，散熱風(fēng)扇要求風(fēng)量大、噪音低、無(wú)級(jí)調(diào)速并需要反饋相應(yīng)的運(yùn)行狀態(tài)。