图解氢燃料电池热管理系统

什么是氢燃料电池热管理系统？

氢燃料电池的热管理系统是将电堆反应生成的热量排出系统外，使电堆维持在最适宜的温度工作。

一个典型的氢燃料电池热管理系统循环主要包含：①水泵、②节温器、③去离子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥冷却模块及⑦冷却管路等。

部件盘点

 水泵 

水泵是氢燃料电池热管理系统的“心脏”，它给系统冷却液做功，使冷却液循环。一旦电堆热到“难以自拔”，冷却水泵就加大冷却液的流速来给电堆降温。

为了保证电堆产生的热量能够快速、有效的散发，水泵自身也要具备很高的“素质”，大流量、高扬程、绝缘及更高的EMC能力是必不可少的。

此外，水泵还需要实时反馈当前的运行状态或故障状态。

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。

 去离子器 

氢燃料电池运行过程中，冷却液的离子含量会增高，使其电导率增大，系统绝缘性降低，去离子器就是用来改善这种现象。通过吸收热管理系统中零部件释放的阴阳离子，去离子器降低了冷却液的电导率，使系统处于较高的绝缘水平。

去离子器由壳体、滤网、树脂及进出口管组成。它的要求是离子交换量大、吸收离子速率快，同时成本低。

 水暖PTC 

在环境温度较低的情况下，燃料电池面临低温挑战。水暖PTC是给电堆在低温冷启动时给冷却液辅助加热的，使冷却液尽快达到需求的温度，缩短燃料电池系统冷启动时间，就好比天气较冷的时候，运动员正式比赛前，先要做好充分的“热身运动”。

水暖PTC由加热芯体、控制板及壳体组成，其要求是响应快、功率稳定。

 节温器

节温器用来控制冷却系统的大小循环。

当冷却液温度较低时，为尽快达到系统所需的温度，节温器控制冷却液的流向，使得冷却液不经过外部散热器及风扇，形成冷却液的小循环流向。

当冷却液温度不断升高，超出系统所需求的合适温度时，节温器会慢慢打开，使部分冷却液流过外部散热器进行散热，从而降低冷却液温度。

当散热需求很大时，节温器将全部打开，所有冷却液都通过外部散热器，此时冷却液的流向称为大循环，其作用好比人身上穿的衣服，当觉得冷的时候需要多穿一些衣服保持温度，当热的时候需要脱掉一些衣服增加散热。

节温器由电机执行机构、阀体、进出口及壳体组成。燃料电池系统对节温器的要求是响应速度快、内部泄露量低、带位置反馈信息（电机节温器）。

 散热器 

散热器顾名思义就是用来散热的，它将冷却液的热量传递给环境，降低冷却液的温度。如果类比于人体，其作用好似人身上的皮肤，通过和环境的温差来进行散热。

散热器本体需求的散热量大、清洁度要求高、离子释放率低，散热器的风扇要求风量大、噪音低、无级调速并需要反馈相应的运行状态。

 冷却管路 

冷却管路作为氢燃料电池的“血管”，连接着各零部件，使冷却液形成完整的循环。与所有零部件要求一样，冷却管路要求绝缘性及较高的清洁度。

挑战算什么？

正如曾经的每一次变革都会受到技术上的阻碍，在汽车从传统能源转换到氢能源的路上也有着不小的挑战。

氢燃料电池热管理系统相比传统燃油发动机而言，主要面临两个较大的挑战：

一、零部件离子释放的控制，在热管理系统的零部件中，中冷和散热器较容易释放离子，导致冷却液电导率升高，进一步影响到系统的绝缘。

目前，主要缓解该问题的方式是零部件增加清洗工艺，但按照当前的状态，清洗往往需要很长时间，影响生产节拍，同时清洗的效果也有限，无法避免离子的长期释放。未来探索新的生产工艺、更合理的系统设计都将有助于改善相关的问题。

二、散热效率需要提高。一般而言，在相同的车辆运行条件下，氢燃料电池的散热量比传统燃油发动机大10%-20%左右，但燃料电池系统的运行温度较低，与环境的温差较小，这导致了燃料电池对散热要求相比传统车高了很多。

除了增加散热面积外，更优的散热器设计，更合理的进气格栅设计，更高的电堆效率都将有助于解决散热困难的问题。

更好的热管理系统有助于提高氢燃料电池系统的使用寿命，同时更合理的热量综合利用有利于系统的节能减排。