大功率燃料电池散热“策略”

 

 

相较传统发动机，燃料电池发动机的热效率更高，多在45%——60%范围内，燃料电池的散热量比传统发动机大10%-20%左右。而在散热问题上，燃料电池发动机的需求却远高于传统发动机。

 

相关数据显示，传统的发动机散热，15%是通过发动机机体散出，40%通过排气管以尾气的形式排放，只有8%的热量是通过散热器散出。

 

而燃料电池发动机在散热方面主要依靠散热器，理论情况下，燃料电池系统的热效率和散热器的热量在41%左右，有18%的热量需要通过散热器来散出;但在恶劣的工况下，燃料电池系统的热效率约为35%,此时仅有3%的热量是通过尾气排出，其余62%的热量需要通过散热器来散发。

 

且燃料电池的工作温度相对较低，散热器中冷却液与环境的温差比传统汽车小，给热管理带来了更加严峻的挑战。

 

在实际应用中，为解决散热问题，燃料电池电堆、系统，以及整车环节在产品研发及设计方面都需要做出相应处理，如在热源端，电堆的设计效率、流场分布，系统的热管理系统设计;在应用端，整车的散热器布局等。

 

因此，散热问题的解决需要燃料电池产业链各个环节共同努力，否则将直接影响燃料电池应用工作的稳定性和寿命，进而影响整个行业的健康安全发展。

 

 

2022年以来，大功率燃料电池新品不断新增。例如：氢晨科技的230kW金属板单堆产品实现装车应用，并率先对外展示了业内首个300kW的大功率金属板单堆产品;氢璞创能已经打造出300kW碳板电堆;清能股份发布了单堆额定功率为250kW的VLSⅢ-250燃料电池电堆等;鲲华科技发布了单堆250kW氢燃料电池发动机系统——鲲·运200.

 

此外，还有重塑集团、雄韬氢瑞、清极能源、新研氢能等公司均推出大功率产品。国产燃料电池向大功率迈进的速度令人惊叹。

 

“就像几年前大家无法理解50kW、70kW的电堆一样，现在电堆发展到200+kW看似激进，其实是市场需求下的产物，电堆企业的研发和生产遵循客户的需求，也愿意以开放的心态迎接市场的检验。”某电堆企业负责人表示。

 

比如基于长途和重载的应用，49吨的牵引车如果真的跑干线物流，哪怕不考虑超载的情况，200kW实际上只是起步。此外，除了交通领域，大功率燃料电池在船舶、储能等领域也有市场潜力，可有效拓宽氢能的应用边界。市场潜力驱动燃料电池企业追求大功率技术突破。

 

那么，大功率燃料电池的散热问题该如何解？从电堆环节来看，电堆设计要选取合适的材料体系，解决温差问题，而这对膜电极的性能、密封材料的稳定性提出了更高的要求;要通过公共通道和流场设计高效地实现对散热问题的解决和管控，如从单流道设计转为采用多流道散热的方式调节温差等。

 

从系统环节来看，一家知名系统企业负责人建议：“系统的设计架构需要有所变化，在电堆的工作温度偏低时，可以将辅助水路和主水路的一体化集成处理，但如果把工作温度进一步提高，就必须把辅助水路和主水路分开，这是必然趋势。”

 

从整车环节来看，一名整车企业高层也给出自己的建议：“可以通过选择散热性能更好的零部件，另外就是可以通过空气动力学改进迎风面积的设计，像重卡等重载型车辆，可以利用车辆后端的空间等途径助力解决散热问题。”

 

不过，由于车的配置空间始终有限，车用领域热管理的最大压力最终还是回归到电堆和系统上，上游端是解决散热问题的关键。

 

整体看来，大功率燃料电池是终端应用需求下的产物，但当前以散热为代表的难题仍有待解决，需要被理性严谨看待，需要产业链企业协同解决。在追求更大功率的背后，效率、稳定性等问题需要坚守，以保证行业的稳健长久发展。