电动汽车水热管理子系统

热度:Loading...   日期:17-04-11, 08:55 AM   来源:陆地方舟集团   

电动汽车水热管理子系统

 

电动汽车水热管理子系统主要包括冷却水泵、散热器及风扇、加湿水泵、水箱及相应的管路等,同时加湿器、冷凝器、水分离器的部分功能也属于电动汽车水热管理子系统。质子交换膜燃料电池的正常工作温度范围较窄,因为过低的温度会影响燃料催化剂的活度,阻抗较大;温度过高则又容易导致质子交换膜脱水,引起膜的电导率下降和损坏等情况,因此目前质子交换膜燃料电池的正常工作范围控制在60~80℃。对于质子交换膜燃料电池来说,最理想的情况是整个电堆内部的工作温度完全一致,这样有利于提高电堆内部各单片电池的一致性,有利于改善整个电堆的工作特性和寿命。但由于燃料电池在电化学反应过程中产生的热量需要由冷却系统带走,因此允许电堆内部有一定温度差以便冷却系统带走多余的热量,但温差控制在5~10℃以内,以免温差过高对电堆性能产生较大不利影响。但由于受各种极化现象的影响,目前质子交换膜燃料电池实际使用时其效率一般在50%-60%之间。由于其工作温度较低,因此从电堆表面以热辐射、对流形式以及电堆尾排处散发的热量非常少,大部分热量需要利用冷却系统带出,利用散热系统来散发。所以相对于传统车用内燃机而言,在发出相同功率的条件下,质子交换膜燃料电池发动机需要由散热系统散发的热量更多,一般为传统内燃机的两倍左右。这就对燃料电池的水热管理系统提出了更高的要求,这也是目前燃料电池发动机开发过程中的难点之一。表7-3列出了质子交换膜燃料电池与传统内燃机在散热方面的一些比较。

 

电动汽车水热管理子系统

 

按照目前的质子交换膜燃料电池技术状态,与传统内燃机发动机相比燃料电池发动机的水热管理系统有以下几点不同:

 

(1)燃料电池发动机工作时的冷却循环水温度要比传统发动机工作时的冷却液循环温度低20℃以上,也意味着冷却系统与外界环境的温差更小,会增加冷却系统的工作难度。

 

(2)在发出相同功率时,燃料电池发动机需要通过冷却系统带走的热量约为传统发动机的2.5~3倍,对冷却系统的散热能力提出了更大的要求。

 

(3)由于质子交换膜对工作温度的敏感性较高,过低的温度会影响膜的工作性能和寿命,过高的温度又会造成膜的损坏;并且为了尽量保证燃料电池内部工作温度的一致性,冷却循环水进、出燃料电池的温差必须控制在1 0℃以内,因此对冷却系统的响应速度和控制精度要求较高。

 

综上所述,质子交换膜燃料电池发动机的热管理系统设计要求非常严格,这也是燃料电池发动机设计成败的关键问题之一。质子交换膜燃料电池发动机冷却系统原理如图7-12所示。

 

电动汽车水热管理子系统

 

如图7-12所示,冷却系统的主要部件由冷却水泵、散热器及电子风扇、补水箱、旁路阀组成。在某些燃料电池发动机系统中,有些部件可能需要利用冷却循环水,如膜加湿器和喷水加湿器,此时就需要在冷却系统中引出一条支路以便将部分冷却循环水引入相应部件。旁路电磁阀的作用是在发动机起动阶段将散热器短路以减少冷却系统的散热量,这样有利于加快燃料电池的温升尽快达到正常工作温度。其目的是尽量缩短冷起动时间,减少燃料电池在低温、低效区域工作的时间,有利于提高燃料电池的性能和寿命。

 

质子交换膜燃料电池的水热管理系统主要目的就是维持质子交换膜适合的水合程度,同时保证电池内部适合的湿润状态,以免产生膜脱水或电池内部发生堵水等现象。具体的氢气与空气的加湿过程和方式已在前面氢气供应子系统与空气供应子系统中进行了详细介绍。冷却系统的设计就是要根据所选质子交换膜燃料电池的类型、电堆功率的大小等实际情况,确定合适的加湿方式及整个水热管理系统的结构,同时还要保证加湿用水与回收水之间的平衡。

 

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