來(lái)源|Journal of Cleaner Production

01

背景介紹

電動(dòng)汽車(chē) (EV)，包括純電動(dòng)汽車(chē) (BEV) 和燃料電池汽車(chē) (FCV)，被認(rèn)為是汽車(chē)應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)零碳排放和新能源利用的有前途的解決方案。盡管 BEV 技術(shù)和市場(chǎng)化的持續(xù)高速發(fā)展，但 FCV 的技術(shù)發(fā)展具有強(qiáng)大的動(dòng)力，主要是因?yàn)樗鼈冊(cè)谛旭偩嚯x和充電時(shí)間方面優(yōu)于BEV；在眾多類(lèi)型的燃料電池 (FC) 中，質(zhì)子交換膜 (PEM) 燃料電池 (PEMFC) 之所以受到青睞，主要是因?yàn)樗鼈兊墓ぷ鳒囟鹊停s 80 °C），可以使車(chē)輛快速啟動(dòng)。

PEMFC在發(fā)電的同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾乎等量的熱量，這些熱量需要從PEMFC中釋放出來(lái)，否則可能會(huì)發(fā)生熱失控。適當(dāng)?shù)纳郎貢?huì)改善電化學(xué)反應(yīng)的動(dòng)力學(xué)，但過(guò)熱不僅會(huì)使膜脫水，降低質(zhì)子電導(dǎo)率，還會(huì)大大加劇膜和催化劑的降解，造成不可逆的性能損失和PEMFC的損壞?？紤]到電化學(xué)反應(yīng)、水平衡和氣體傳輸，PEMFC 的合適工作溫度范圍在 60 °C 和 80 °C 之間。因此，熱管理系統(tǒng) (TMS) 對(duì)于 FCV 燃料電池堆 (FCS) 的正常運(yùn)行至關(guān)重要；此外，輔助動(dòng)力電池、電動(dòng)機(jī)、電子元件、機(jī)艙空氣和供應(yīng)給 PEMFC 的壓縮空氣都需要合適的冷卻和加熱回路。為燃料電池汽車(chē)設(shè)計(jì)一個(gè)綜合熱管理系統(tǒng)（ITMS）是一個(gè)重要的問(wèn)題。

與純電動(dòng)汽車(chē)和內(nèi)燃機(jī)（ICE）汽車(chē)（ICEV）不同，燃料電池汽車(chē)在 ITMS 布局方面面臨更嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。由于鋰離子電池的效率高于 PEMFC，BEV 釋放的熱量遠(yuǎn)低于 FCV。與BEV和FCV相比，ICEV的發(fā)熱量最大；然而，大量的熱量被 ICE 廢氣帶走，而對(duì)于 FCV，大部分熱量去除應(yīng)由 PEMFC 冷卻劑回路處理，因?yàn)閺U氣和水傳輸?shù)臒崃靠梢院雎圆挥?jì)。此外，PEMFC 的散熱器和環(huán)境空氣之間的可用溫差遠(yuǎn)低于 ICE，因?yàn)?PEMFC 在低得多的溫度下運(yùn)行。所以，F(xiàn)CV 需要具有更大表面積的散熱器來(lái)去除與 ICEV 相當(dāng)?shù)臒崃?。這些要求增加了燃料電池汽車(chē)熱管理設(shè)計(jì)的難度。

02

成果掠影

近期，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所蔣方明團(tuán)隊(duì)提出了一種采用熱峰調(diào)節(jié)器的新型熱管理系統(tǒng)。

熱峰調(diào)節(jié)器是一個(gè)充滿(mǎn)相變材料的蓄熱器，分別與燃料電池冷卻劑和空調(diào)進(jìn)行熱交換制冷劑。在熱峰出現(xiàn)時(shí)暫時(shí)接收散熱器無(wú)法釋放的多余熱量；稍后，當(dāng)熱峰消失時(shí)，熱量將傳遞給制冷劑以將其從冷凝器中帶走?；陂_(kāi)發(fā)的熱模型的系統(tǒng)仿真表明，這種新型熱管理系統(tǒng)可以消除或有效削弱燃料電池堆的熱失控，這取決于填充熱峰值調(diào)節(jié)器的相變材料的量。在本研究中，在標(biāo)準(zhǔn)化的新歐洲駕駛循環(huán)中，135 秒和 250 秒的熱失控持續(xù)時(shí)間可以分別縮短為 0 秒和 105 秒以及 38 °C 夏季天氣下的全球協(xié)調(diào)輕型測(cè)試循環(huán)，后者的最高溫度可從 89 °C 降至 83 °C。這項(xiàng)工作可以為解決燃料電池汽車(chē)的熱管理問(wèn)題做出重大貢獻(xiàn)。

研究成果以“A novel thermal management system with a heat-peak regulator for fuel cell vehicles”為題發(fā)表于《Journal of Cleaner Production》。

03

圖文導(dǎo)讀

圖1 一種新型的燃料電池汽車(chē)熱峰調(diào)節(jié)器集成熱管理系統(tǒng)。

圖2 “時(shí)變”熱管理方法及HPR功能示意圖。

圖3 前部換熱器的串聯(lián)布置及其之間的熱干擾。

圖4 單個(gè)電池的電壓輸出（Vcell）和功率密度（Pcell = Vcelli）隨電流密度(i)而變化。

圖5 (a) NEDC和(b) WLTC駕駛周期中的瞬時(shí)車(chē)速(u)和運(yùn)動(dòng)功率（PM）。

圖6 在(a) NEDC和(b) WLTC驅(qū)動(dòng)周期中，基于車(chē)輛運(yùn)動(dòng)功率（PM）的FCS（PFCS）和LIB（PLIB）之間的瞬時(shí)功率輸出分布。

圖7 在(a) NEDC和(b) WLTC驅(qū)動(dòng)周期中的瞬時(shí)座艙熱負(fù)荷（Qcab）。

圖8 在Tamb = 38℃下的(a) NEDC和(b) WLTC驅(qū)動(dòng)循環(huán)中，有無(wú)HPR的FCS和機(jī)艙空氣溫度的時(shí)間變化。同時(shí)還繪制了FCS發(fā)熱（QFCS）、客艙熱負(fù)荷（Qcab）和與車(chē)速(u)疊加的PCU發(fā)熱（QPCU）。

END

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審核編輯黃宇