三分鐘看懂燃料電池——水熱管理系統

燃料電池分為五個子系統——氫氣供應子系統、空氣供應子系統、水熱管理子系統、燃料電池電堆和控制子系統。今天我們著重講一下水熱管理系統。

燃料電池的水熱管理指通過控制流經電堆的冷卻液流量進行燃料電池電堆的溫度控制。本質上來講，燃料電池的水管理和熱管理是密不可分的， 因為電堆內的水含量也與電堆溫度有關，溫度會改變飽和水蒸氣壓力，進而影響電堆內水蒸氣的含量，所以通過熱管理系統可以同時影響系統內的水平衡與熱平衡。

一個典型的燃料電池冷卻液循環回路主要包含:①水泵、②節溫器、③去離子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥散熱器及和⑦冷卻管路。

水管理的核心任務是使膜電極（MEA）中具有合理的水含量，以保證氫離子能夠良好的在膜中傳導。如果質子膜內的水含量較少，便會導致質子傳導受阻，造成歐姆極化過電位增大，極易引發膜干涸現象；但是電堆內的水又不能過多，否則又容易造成陰極淹沒，導致反應氣的傳輸受阻，增加了電堆的活化極化過電位與濃差極化過電位。

熱管理的核心任務是將燃料電池的工作溫度控制在安全合理的范圍。如果工作溫度過低，電堆的活化極化損失會增強，導致電堆的性能變差；如果工作溫度過高，又容易導致膜水干，使歐姆極化損失加大，導致電堆性能下降。

水泵相當于燃料電池水熱管理的“心臟"，它通過控制管路中冷卻液的流速進而控制散熱強度。為了保證電堆產生的熱量能夠快速有效的散發出去，水泵需要具備大流量、高揚程、絕緣以及EMC（電磁兼容）表現好的特點。

節溫器的作用是改變冷卻液的流通路徑，當電堆冷啟動溫度低時控制冷卻液不流經散熱器，確保電堆溫度迅速達到工作溫度（小循環），當電堆溫度過高時控制冷卻液流經散熱器進而達到散熱的作用（大循環）。燃料電池系統對節溫器的要求是響應速度快、內部泄漏量低。

去離子器應用在燃料電池發動機的冷卻系統中，主要用于去除冷卻液中的導電離子。在燃料電池運行中，雙極板上會產生高電壓，但同時要求此高電壓不會通過雙極板中間的冷卻液傳遞到整個冷卻循環流道，因此要求冷卻液不能夠導電。

去離子器的活性物質是樹脂，存放在避免高溫，暴曬的普通環境下。樹脂的有效期很長，通常都在三到五年甚至以上。

中冷器的作用是冷卻來自空壓機的壓縮空氣，它通過冷卻液和空氣的熱交換來降低壓縮空氣溫度，使進入電堆的空氣溫度在合理的范圍內，主要結構由芯體、主板、水室和氣室組成。中冷器的特點是熱交換量大，清潔度要求高及離子釋放率低。

PTC發熱體又叫PTC加熱器，采用PTC陶瓷發熱元件與鋁管組成。該類型PTC發熱體有熱阻小、換熱效率高的優點，是一種自動恒溫、省電的電加熱器。

散熱器的作用是將冷卻液的熱量傳遞給環境，降低冷卻液的溫度。散熱器要求散熱量較大，清潔度要求高、離子釋放率低，散熱風扇要求風量大、噪音低、無級調速并需要反饋相應的運行狀態。