大功率燃料電池散熱“策略”

 

 

相較傳統發動機，燃料電池發動機的熱效率更高，多在45%——60%范圍內，燃料電池的散熱量比傳統發動機大10%-20%左右。而在散熱問題上，燃料電池發動機的需求卻遠高于傳統發動機。

 

相關數據顯示，傳統的發動機散熱，15%是通過發動機機體散出，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。

 

而燃料電池發動機在散熱方面主要依靠散熱器，理論情況下，燃料電池系統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，燃料電池系統的熱效率約為35%,此時僅有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。

 

且燃料電池的工作溫度相對較低，散熱器中冷卻液與環境的溫差比傳統汽車小，給熱管理帶來了更加嚴峻的挑戰。

 

在實際應用中，為解決散熱問題，燃料電池電堆、系統，以及整車環節在產品研發及設計方面都需要做出相應處理，如在熱源端，電堆的設計效率、流場分布，系統的熱管理系統設計;在應用端，整車的散熱器布局等。

 

因此，散熱問題的解決需要燃料電池產業鏈各個環節共同努力，否則將直接影響燃料電池應用工作的穩定性和壽命，進而影響整個行業的健康安全發展。

 

 

2022年以來，大功率燃料電池新品不斷新增。例如：氫晨科技的230kW金屬板單堆產品實現裝車應用，并率先對外展示了業內首個300kW的大功率金屬板單堆產品;氫璞創能已經打造出300kW碳板電堆;清能股份發布了單堆額定功率為250kW的VLSⅢ-250燃料電池電堆等;鯤華科技發布了單堆250kW氫燃料電池發動機系統——鯤·運200.

 

此外，還有重塑集團、雄韜氫瑞、清極能源、新研氫能等公司均推出大功率產品。國產燃料電池向大功率邁進的速度令人驚嘆。

 

“就像幾年前大家無法理解50kW、70kW的電堆一樣，現在電堆發展到200+kW看似激進，其實是市場需求下的產物，電堆企業的研發和生產遵循客戶的需求，也愿意以開放的心態迎接市場的檢驗。”某電堆企業負責人表示。

 

比如基于長途和重載的應用，49噸的牽引車如果真的跑干線物流，哪怕不考慮超載的情況，200kW實際上只是起步。此外，除了交通領域，大功率燃料電池在船舶、儲能等領域也有市場潛力，可有效拓寬氫能的應用邊界。市場潛力驅動燃料電池企業追求大功率技術突破。

 

那么，大功率燃料電池的散熱問題該如何解？從電堆環節來看，電堆設計要選取合適的材料體系，解決溫差問題，而這對膜電極的性能、密封材料的穩定性提出了更高的要求;要通過公共通道和流場設計高效地實現對散熱問題的解決和管控，如從單流道設計轉為采用多流道散熱的方式調節溫差等。

 

從系統環節來看，一家知名系統企業負責人建議：“系統的設計架構需要有所變化，在電堆的工作溫度偏低時，可以將輔助水路和主水路的一體化集成處理，但如果把工作溫度進一步提高，就必須把輔助水路和主水路分開，這是必然趨勢。”

 

從整車環節來看，一名整車企業高層也給出自己的建議：“可以通過選擇散熱性能更好的零部件，另外就是可以通過空氣動力學改進迎風面積的設計，像重卡等重載型車輛，可以利用車輛后端的空間等途徑助力解決散熱問題。”

 

不過，由于車的配置空間始終有限，車用領域熱管理的最大壓力最終還是回歸到電堆和系統上，上游端是解決散熱問題的關鍵。

 

整體看來，大功率燃料電池是終端應用需求下的產物，但當前以散熱為代表的難題仍有待解決，需要被理性嚴謹看待，需要產業鏈企業協同解決。在追求更大功率的背后，效率、穩定性等問題需要堅守，以保證行業的穩健長久發展。