什麼是氫燃料電池水熱管理系統？

和鋰電池熱管理系統不同的是，氫燃料電池內部化學反應中，水是一個很重要的成分，不僅質子交換膜上會被置換出水分，在冷卻時也有水循環系統在助力。因此氫燃料電池的控温系統也被稱為水熱管理系統。

燃料電池系統運轉原理

什麼是氫燃料電池水熱管理系統

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温度控制。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温度有關，温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。

簡而言之，氫燃料電池水熱管理系統類似給氫燃料電池的空調，一方面在温度方面進行調控，讓氫燃料電池正常發揮功能，同時還通過「除濕」和「加濕」來讓氫燃料電池感到「舒適」。

典型燃料電池系統熱管理架構

水熱管理系統管理目標

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，極易引發膜乾涸現象；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温度控制在安全合理的範圍。如果工作温度過低，電堆的活化極化損失會增強，導致電堆的性能變差；如果工作温度過高，又容易導致膜水乾，使歐姆極化損失加大，導致電堆性能下降。目前大功率電堆採用冷卻水循環系統，電堆熱平衡需要滿足的温度目標如下所示：

· 確定電堆入口溫度範圍。控制電堆入口冷卻水温度，保證温度在70～80 ℃；

· 保證電堆內部温度的一致性。電堆內部要求温度一致性，以保證其工作性能。要求電堆進出口冷卻水温差小於8 ℃，最好小於6 ℃｡

燃料電池系統在保證高温散熱和低温加熱的基礎上，為保證系統高效、穩定的運行，需要為燃料電池系統制定合理的控制策略。熱管理的控制策略主要是針對水泵、散熱器、節温器進行控制，通過軟盤機控制器（File Control Unit, FCU）控制各部件動作，從而保證電堆在合理的温度區間進行工作。

水熱管理系統的組成

水熱管理的核心在於通過控制冷卻液在燃料電池電堆中的流動，實現温度的精確控制。它與電堆的熱管理密不可分，因為電堆內的水含量與温度息息相關。水熱管理系統主要由水泵、節温器、去離子器、中冷器、水暖PTC和散熱器組成，它們共同維持系統內的水平衡與熱平衡。

燃料電池系統熱管理原理圖

水泵負責調節冷卻液流量；節温器根據温度變化調整冷卻路徑；去離子器確保冷卻液無導電離子；中冷器冷卻壓縮空氣；水暖PTC用以自動恆温；以及散熱器，將熱量散發至環境。

水熱管理組成零件詳解

水熱管理系統組成：①水泵、②節温器、③去離子器、④中冷器、⑤水暖PTC、⑥冷卻模塊及⑦冷卻管路等

· 水泵

作為關鍵組件，它給系統冷卻液做功，控制冷卻液流速，使冷卻液循環，確保熱量快速散出。一旦電堆熱到「難以自拔」，冷卻水泵就加大冷卻液的流速來給電堆降温。爲了保證電堆產生的熱量能夠快速、有效散發，它需要具備高流量、高揚程和良好的電磁兼容性。此外，水泵還需要實時反饋當前的運行狀態或故障狀態。

水泵

· 節温器

節温器用來控制冷卻系統的大小循環。當冷卻液温度較低時，為儘快達到系統所需的温度，節温器控制冷卻液的流向，使得冷卻液不經過外部散熱器及風扇，形成冷卻液的小循環流向。當冷卻液温度不斷升高，超出系統所需求的合適温度時，節温器會慢慢打開，使部分冷卻液流過外部散熱器進行散熱，從而降低冷卻液温度。當散熱需求很大時，節温器將全部打開，所有冷卻液都通過外部散熱器，此時冷卻液的流向稱為大循環，其作用好比人身上穿的衣服，當覺得冷的時候需要多穿一些衣服保持温度，當熱的時候需要脱掉一些衣服增加散熱。

節温器由電機執行機構，閥體，進出口及殼體組成。燃料電池系統對節温器的要求是響應速度快、內部泄露量低、帶位置反饋信息（電機節温器）。

節温器

冷卻液的小循環與大循環路徑

· 去離子器

去離子器利用樹脂清除冷卻液中的導電離子，確保雙極板間電壓不會傳遞，保障系統的電安全。

氫燃料電池運行過程中，冷卻液的離子含量會增高，使其電導率增大，系統絕緣性降低，去離子器就是用來改善這種現象。通過吸收熱管理系統中零部件釋放的陰陽離子，去離子器降低了冷卻液的電導率，使系統處於較高的絕緣水平。去離子器由殼體、濾網、樹脂及進出口管組成。它的要求是離子交換量大、吸收離子速率快，同時成本低。

去離子器

· 中冷器

中冷器通過冷卻液與空氣的熱交換，降低進入電堆的空氣温度，其特點是熱交換效率高、清潔度要求嚴格。

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温度，使進入電堆的空氣温度在合理的範圍內，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。

中冷器

空氣經過空壓機壓縮之后，温度會迅速升高可以達到150℃以上。而PEMFC的工作温度區間般為60-90℃。高温空氣直接進人燃料電池堆不僅會導致燃料電池堆性能下降，更有可能造成質子交換膜損壞。因此，需要使用中冷器將空氣温度降低到適合進堆的温度，經過中冷器之后，空氣温度會明顯下降，相對濕度也會有所提高。燃料電池系統使用的中冷器多使用間壁式中冷器。

中冷器工作原理

· 水暖PTC

PTC發熱體，結合陶瓷發熱元件和鋁管，提供自動恆温且節能的加熱功能。

在環境温度較低的情況下，燃料電池面臨低温挑戰。水暖PTC是給電堆在低温冷啟動時給冷卻液輔助加熱的，使冷卻液儘快達到需求的温度，縮短燃料電池系統冷啟動時間，就好比天氣較冷的時候，運動員正式比賽前，先要做好充分的「熱身運動」。水暖PTC由加熱芯體、控制板及殼體組成，其要求是響應快、功率穩定。

水暖PTC

· 散熱器

散熱器負責散熱，要求具有大散熱量、高清潔度和低離子釋放率，同時配合高效的散熱風扇。

散熱器顧名思義就是用來散熱的，它將冷卻液的熱量傳遞給環境，降低冷卻液的温度。如果類比於人體，其作用好似人身上的皮膚，通過和環境的温差來進行散熱。散熱器本體需求的散熱量大、清潔度要求高、離子釋放率低，散熱器的風扇要求風量大、噪音低、無級調速並需要反饋相應的運行狀態。

散熱風扇

· 冷卻管路

冷卻管路作為氫燃料電池的「血管」，連接着各零部件，使冷卻液形成完整的循環。與所有零部件要求一樣，冷卻管路要求絕緣性及較高的清潔度。

冷卻管路

水熱管理系統的冷卻液

氫燃料電池的冷卻水成分主要包括乙二醇型冷卻液和純水型冷卻液。

乙二醇型冷卻液主要由乙二醇、緩蝕劑、抗氧劑等成分組成。乙二醇作為冷卻液的主要成分，具有成本低、良好的防凍性能、較高的安全性、防腐蝕和可回收等優勢。此外，乙二醇型冷卻液還具有良好的熱傳導性能和穩定性，能夠滿足氫燃料電池的冷卻需求。然而，乙二醇作為一種有機溶劑，具有較高的滲透性，有可能和質子交換膜交互作用，從而損害質子交換膜。

純水也是氫燃料電池常用的冷卻介質。純水對氫燃料電池的反應具有良好的耐受性，同時熱傳導性能也很好。在氫燃料電池中，純水可以通過循環系統將熱量帶走，保持電池堆和電池單體的温度穩定。此外，純水的化學性質穩定，不會與電池內部的材料發生化學反應，從而保證了氫燃料電池的安全性。但純水在低温環境下可能會結冰，導致冷卻系統失效。因此，在寒冷地區或冬季使用時，需要採取相應的防凍措施，如添加乙二醇等防凍劑來降低水的冰點。

升溫和降温的執行模式

· 升溫模式

a.  冷啟動階段，加熱器閥關閉，冷卻液經去離子器回到燃料電池，駕駛室暖風循環水路加熱氫氣循環泵與排水排氣閥。

b.  冷啟動成功后，加熱器閥打開，冷卻液經去離子器和駕駛室暖風循環水混合后到燃料電池。

c.  加熱需求降低，加熱器停止加熱，僅依靠燃料電池加熱，冷卻液經過去離子器和駕駛室暖風循環水路回到燃料電池。

d.  冷卻液温度大於燃料電池目標温度，節温器打開，冷卻液經過去離子器、散熱器和駕駛員暖風循環水路回到燃料電池。

· 冷卻模式

a.  燃料電池功率輸出較小時，冷卻需求不高，冷卻液經去離子器回到燃料電池。

b.  當燃料電池功率輸出變大，冷卻需求提高，節温器打開，冷卻液經去離子器和散熱器回到燃料電池。

c.  冷卻需求繼續提高，冷卻風扇開始工作，節温器打開，冷卻液經去離子器和散熱器回到燃料電池。

d.  燃料電池持續大功率輸出時，冷卻需求繼續提高，加熱器閥打開，冷卻風扇工作，節温器打開冷卻液經去離子器和散熱器以及駕駛員暖風循環水回到燃料電池。

水熱管理系統的技術難關

氫燃料電池水熱管理系統相比傳統燃油發動機而言，主要面臨兩個較大的挑戰：

一是零部件離子釋放的控制，在熱管理系統的零部件中，中冷和散熱器較容易釋放離子，導致冷卻液電導率升高，進一步影響到系統的絕緣。目前主要緩解該問題的方式是零部件增加清洗工藝，但按照當前的狀態，清洗往往需要很長時間，影響生產節拍，同時清洗的效果也有限，無法避免離子的長期釋放。未來探索新的生產工藝、更合理的系統設計都將有助於改善相關的問題。

二是散熱效率需要提高。一般而言，在相同的車輛運行條件下，氫燃料電池的散熱量比傳統燃油發動機大10%-20%左右，但燃料電池系統的運行温度較低，與環境的温差較小，這導致了燃料電池對散熱要求相比傳統車高了很多。除了增加散熱面積外，更優的散熱器設計，更合理的進氣格柵設計，更高的電堆效率都將有助於解決散熱困難的問題。

更好的熱管理系統有助於提高氫燃料電池系統的使用壽命，同時更合理的熱量綜合利用有利於系統的節能減排。

水熱管理系統生產企業

水熱管理系統國外著名生產廠商包括巴拉德動力、豐田、佛吉亞和博世。國內企業以億華通、格羅夫、九昌新能源為主。

  億華通：

億華通通過自主研發和整合資源，在氫燃料電池發動機和電池熱管理系統上取得了顯著成果，構建了完整的解決方案。

為優化整車的環境適應性，億華通開發了基於多熱域耦合協調控制的燃料電池系統余熱利用控制策略。由於燃料電池發動機系統遵循高温高濕高壓的技術路線，電堆出口水温最高超過 85 ℃，較高的水温使得余熱利用系統更容易回收冷卻液中的熱量，用於冬季車廂內的暖風、除霜等；同時，較高的水温也降低了對燃料電池發動機散熱器散熱面積的要求，有利於整車佈置。

億華通整車熱管理結構

  格羅夫：

格羅夫氫能源科技集團有限公司是一家獨立專注於氫能汽車產業生態的主導型企業。集團母公司資環工研院（IGE），是武漢市和中國地質大學（武漢）聯合創建的科技成果轉化、戰略產業培育的科技創新發展平臺。格羅夫作為氫能乘用車的先驅，在全功率氫能動力系統、全新平臺架構、創新能量管理系統、輕量化車身、整車 VCU 控制系統、熱管理技術等核心領域構建技術壁壘，形成具有自主知識產權的核心技術。

九昌新能源：

九昌新能源科技（揚州）有限公司是一家專注於氫燃料電池發動機熱管理系統關鍵零部件研發、製造和銷售的科技型企業。具備多款型號的多功能膨脹水箱產品，該多功能膨脹水箱針對氫燃料車進行定製開發，集成去離子器、液位傳感器及電導率傳感器，實現低液位報警和冷卻液電導率實時監控的功能，並根據系統內部壓力變化進行補氣和泄壓。

（轉自：氫能源燃料電池電動汽車）