用于燃料电池汽车的新型热管理系统

来源 | Journal of Cleaner Production

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背景介绍

电动汽车 (EV)，包括纯电动汽车 (BEV) 和燃料电池汽车 (FCV)，被认为是汽车应用中实现零碳排放和新能源利用的有前途的解决方案。尽管 BEV 技术和市场化的持续高速发展，但 FCV 的技术发展具有强大的动力，主要是因为它们在行驶距离和充电时间方面优于BEV；在众多类型的燃料电池 (FC) 中，质子交换膜 (PEM) 燃料电池 (PEMFC) 之所以受到青睐，主要是因为它们的工作温度低（约 80 °C），可以使车辆快速启动。

PEMFC在发电的同时，会产生几乎等量的热量，这些热量需要从PEMFC中释放出来，否则可能会发生热失控。适当的升温会改善电化学反应的动力学，但过热不仅会使膜脱水，降低质子电导率，还会大大加剧膜和催化剂的降解，造成不可逆的性能损失和PEMFC的损坏。考虑到电化学反应、水平衡和气体传输，PEMFC 的合适工作温度范围在 60 °C 和 80 °C 之间。因此，热管理系统 (TMS) 对于 FCV 燃料电池堆 (FCS) 的正常运行至关重要；此外，辅助动力电池、电动机、电子元件、机舱空气和供应给 PEMFC 的压缩空气都需要合适的冷却和加热回路。为燃料电池汽车设计一个综合热管理系统（ITMS）是一个重要的问题。

与纯电动汽车和内燃机（ICE）汽车（ICEV）不同，燃料电池汽车在 ITMS 布局方面面临更严峻的挑战。由于锂离子电池的效率高于 PEMFC，BEV 释放的热量远低于 FCV。与BEV和FCV相比，ICEV的发热量最大；然而，大量的热量被 ICE 废气带走，而对于 FCV，大部分热量去除应由 PEMFC 冷却剂回路处理，因为废气和水传输的热量可以忽略不计。此外，PEMFC 的散热器和环境空气之间的可用温差远低于 ICE，因为 PEMFC 在低得多的温度下运行。所以，FCV 需要具有更大表面积的散热器来去除与 ICEV 相当的热量。这些要求增加了燃料电池汽车 热管理设计的难度。

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成果掠影

近期，中国科学院广州能源研究所蒋方明团队提出了一种采用热峰调节器的新型热管理系统。热峰调节器是一个充满相变材料的蓄热器，分别与燃料电池冷却剂和空调进行热交换制冷剂。在热峰出现时暂时接收散热器无法释放的多余热量；稍后，当热峰消失时，热量将传递给制冷剂以将其从冷凝器中带走。基于开发的热模型的系统仿真表明，这种新型热管理系统可以消除或有效削弱燃料电池堆的热失控，这取决于填充热峰值调节器的相变材料的量。在本研究中，在标准化的新欧洲驾驶循环中，135 秒和 250 秒的热失控持续时间可以分别缩短为 0 秒和 105 秒以及 38 °C 夏季天气下的全球协调轻型测试循环，后者的最高温度可从 89 °C 降至 83 °C。这项工作可以为解决燃料电池汽车的热管理问题做出重大贡献。研究成果以“A novel thermal management system with a heat-peak regulator for fuel cell vehicles”为题发表于《Journal of Cleaner Production》。

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图文导读

图1 一种新型的燃料电池汽车热峰调节器集成热管理系统。

图2 “时变”热管理方法及HPR功能示意图。

图3 前部换热器的串联布置及其之间的热干扰。

图4 单个电池的电压输出（Vcell）和功率密度（Pcell = Vcelli）随电流密度(i)而变化。

图5 (a) NEDC和(b) WLTC驾驶周期中的瞬时车速(u)和运动功率（PM）。

图6 在(a) NEDC和(b) WLTC驱动周期中，基于车辆运动功率（PM）的FCS（PFCS）和LIB（PLIB）之间的瞬时功率输出分布。

图7 在(a) NEDC和(b) WLTC驱动周期中的瞬时座舱热负荷（Qcab）。

图8 在Tamb = 38℃下的(a) NEDC和(b) WLTC驱动循环中，有无HPR的FCS和机舱空气温度的时间变化。同时还绘制了FCS发热（QFCS）、客舱热负荷（Qcab）和与车速(u)叠加的PCU发热（QPCU）。

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