大功率密度、高冷啟動(dòng)性能、自增濕以及車用工況的匹配等都對(duì)燃料電池的熱管理策略提出了更高的要求。要用好氫燃料電池，做好熱管理尤為關(guān)鍵。
“燃料電池?zé)峁芾淼淖畲笃款i還是在于電堆的性能提升。”佛山市清極能源科技有限公司副總?cè)~長(zhǎng)流告訴高工氫電，燃料電池?zé)峁芾淼年P(guān)鍵器件已經(jīng)不存在“卡脖子”問題，從長(zhǎng)遠(yuǎn)來看，要做好熱管理，還需要提升改進(jìn)燃料電池堆的性能。
熱管理的主要元器件
氫燃料電池的熱管理系統(tǒng)將電堆反應(yīng)生成的熱量排出系統(tǒng)外，使電堆維持在適合的溫度區(qū)間工作。事實(shí)上，燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)主要包括燃料電池?zé)峁芾恚ㄈ剂想姵乇倔w）和動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)熱管理兩部分。從燃料電池系統(tǒng)熱管理的元器件組成來看，又主要由水泵、節(jié)溫器、去離子器、中冷器、水暖PTC、冷卻模塊及冷卻管路等不同部分組成。
燃料電池為什么需要熱管理？
燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)（簡(jiǎn)稱：FCPS）的熱效率一般為35%-45%左右，而傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率在30%以下，在產(chǎn)生相同的功率的情況下，燃料電池汽車一般要比燃油汽車節(jié)能25%左右，由此可見FCPS的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢(shì)比較突出。
然而，盡管燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)（簡(jiǎn)稱：FCE）的效率遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，但是其散熱問題卻是一個(gè)巨大的考驗(yàn)。
相關(guān)研究數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，15%是通過發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體散出，40%通過排氣管以尾氣的形式排放，只有8%的熱量是通過散熱器散出。跟傳統(tǒng)的燃油發(fā)動(dòng)機(jī)不同，F(xiàn)CE在散熱方面主要依靠散熱器，理論上，F(xiàn)CPS的熱效率和散熱器的熱量在41%左右，有18%的熱量需要通過散熱器來散出。
但在惡劣的工況下，F(xiàn)CPS的熱效率約為35%，此時(shí)僅有3%的熱量是通過尾氣排出，其余62%的熱量需要通過散熱器來散發(fā)。
由于燃料電池的工作溫度相對(duì)較低，散熱器中冷卻液與環(huán)境的溫差比傳統(tǒng)汽車小，這也為其熱管理帶來了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。
提升電堆性能是做好熱管理的基礎(chǔ)
事實(shí)上，改變電堆的輸出功率是通過改變電流的密度實(shí)現(xiàn)的。但是，隨著電流密度的改變，電堆發(fā)熱功率也會(huì)明顯變化，這就需要對(duì)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)，以防止電堆過熱影響壽命和運(yùn)行安全或溫度過低降低效率。
在電堆的實(shí)際運(yùn)行中會(huì)發(fā)現(xiàn)，如果需要調(diào)整電堆的溫度，需要通過調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來實(shí)現(xiàn)。若僅在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，可能無法實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)電堆溫度的目標(biāo)。若調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速至一定數(shù)值之上，水泵轉(zhuǎn)速的提高又只能增加熱管理系統(tǒng)的功耗，造成能量密度損失，降低發(fā)動(dòng)機(jī)的效率。
如何在效率和熱管理方面達(dá)成最優(yōu)化，成為擺在電堆企業(yè)面臨的難題。此外，在實(shí)際裝車應(yīng)用的過程中，還需要考慮體積等其它方面的因素。
“考慮到車用燃料電池的配置空間，特別是乘用車的高要求，熱管理最大的壓力反而轉(zhuǎn)移到電堆上了。”葉長(zhǎng)流表示，希望適配的散熱器能做的更小，功耗更低，這也要求電堆的散熱量要小，效率要高，進(jìn)而對(duì)電堆的運(yùn)行溫度和濕度的匹配提出了更高的要求。
現(xiàn)階段，熱管理的配件基本能夠滿足供應(yīng)，核心環(huán)節(jié)依然在于電堆環(huán)節(jié)。
“溫差要大，這對(duì)電堆來說就是很大的挑戰(zhàn)。”國(guó)內(nèi)一家燃料電池企業(yè)熱管理工程師認(rèn)為，電堆工作的溫度越高，又會(huì)導(dǎo)致濕度降低，也又對(duì)膜電極的耐低濕度帶來的挑戰(zhàn)。這要提升電堆效率，需要性能更好的膜電極。
另從雙極板的角度來看，石墨板和金屬板在熱管理的散熱性能方面差別不大，但是在冷啟動(dòng)方面，石墨板的加熱速度較慢，金屬板要明顯優(yōu)于石墨板。這意味著，不同類型的電堆對(duì)于熱管理的需求也不一樣。
若對(duì)標(biāo)國(guó)外先進(jìn)的熱管理水平，國(guó)內(nèi)還有很多地方有待改進(jìn)。
“從目前已經(jīng)成熟應(yīng)用的情況來看，國(guó)內(nèi)的燃料電池?zé)峁芾砀鷩?guó)外相比還有較大的差距。”國(guó)內(nèi)一家燃料電池汽車熱管理工程師認(rèn)為，這種差距主要體現(xiàn)在電堆上。國(guó)內(nèi)的電堆的工作溫度控制在60度到70度左右，但是國(guó)外能做到80度以上，這與膜電極的耐熱性密切相關(guān)。
“按照額定電壓0.67V，國(guó)內(nèi)膜電極的電流密度在1A/cm2左右，同樣的電壓，國(guó)外能做到1.5A-2A/ cm2。”一名技術(shù)人員認(rèn)為，在膜電極方面，國(guó)內(nèi)外差距還是比較大的。
當(dāng)然不必過于悲觀，現(xiàn)在國(guó)內(nèi)的電堆企業(yè)進(jìn)步很快，很多國(guó)內(nèi)公司在對(duì)標(biāo)豐田公司的先進(jìn)標(biāo)準(zhǔn)。高工氫電了解到，目前有少數(shù)國(guó)內(nèi)電堆企業(yè)研發(fā)的樣堆膜電極耐受溫度能達(dá)到85度，相當(dāng)于接近豐田在2014年的水平。
