來源|Journal of Cleaner Production

01

背景介紹

電動汽車 (EV)，包括純電動汽車 (BEV) 和燃料電池汽車 (FCV)，被認為是汽車應用中實現零碳排放和新能源利用的有前途的解決方案。盡管 BEV 技術和市場化的持續高速發展，但 FCV 的技術發展具有強大的動力，主要是因為它們在行駛距離和充電時間方面優于BEV；在眾多類型的燃料電池 (FC) 中，質子交換膜 (PEM) 燃料電池 (PEMFC) 之所以受到青睞，主要是因為它們的工作溫度低（約 80 °C），可以使車輛快速啟動。

PEMFC在發電的同時，會產生幾乎等量的熱量，這些熱量需要從PEMFC中釋放出來，否則可能會發生熱失控。適當的升溫會改善電化學反應的動力學，但過熱不僅會使膜脫水，降低質子電導率，還會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。考慮到電化學反應、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 (TMS) 對于 FCV 燃料電池堆 (FCS) 的正常運行至關重要；此外，輔助動力電池、電動機、電子元件、機艙空氣和供應給 PEMFC 的壓縮空氣都需要合適的冷卻和加熱回路。為燃料電池汽車設計一個綜合熱管理系統（ITMS）是一個重要的問題。

與純電動汽車和內燃機（ICE）汽車（ICEV）不同，燃料電池汽車在 ITMS 布局方面面臨更嚴峻的挑戰。由于鋰離子電池的效率高于 PEMFC，BEV 釋放的熱量遠低于 FCV。與BEV和FCV相比，ICEV的發熱量最大；然而，大量的熱量被 ICE 廢氣帶走，而對于 FCV，大部分熱量去除應由 PEMFC 冷卻劑回路處理，因為廢氣和水傳輸的熱量可以忽略不計。此外，PEMFC 的散熱器和環境空氣之間的可用溫差遠低于 ICE，因為 PEMFC 在低得多的溫度下運行。所以，FCV 需要具有更大表面積的散熱器來去除與 ICEV 相當的熱量。這些要求增加了燃料電池汽車熱管理設計的難度。

02

成果掠影

近期，中國科學院廣州能源研究所蔣方明團隊提出了一種采用熱峰調節器的新型熱管理系統。

熱峰調節器是一個充滿相變材料的蓄熱器，分別與燃料電池冷卻劑和空調進行熱交換制冷劑。在熱峰出現時暫時接收散熱器無法釋放的多余熱量；稍后，當熱峰消失時，熱量將傳遞給制冷劑以將其從冷凝器中帶走。基于開發的熱模型的系統仿真表明，這種新型熱管理系統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節器的相變材料的量。在本研究中，在標準化的新歐洲駕駛循環中，135 秒和 250 秒的熱失控持續時間可以分別縮短為 0 秒和 105 秒以及 38 °C 夏季天氣下的全球協調輕型測試循環，后者的最高溫度可從 89 °C 降至 83 °C。這項工作可以為解決燃料電池汽車的熱管理問題做出重大貢獻。

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

03

圖文導讀

圖1 一種新型的燃料電池汽車熱峰調節器集成熱管理系統。

圖2 “時變”熱管理方法及HPR功能示意圖。

圖3 前部換熱器的串聯布置及其之間的熱干擾。

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

圖5 (a) NEDC和(b) WLTC駕駛周期中的瞬時車速(u)和運動功率（PM）。

圖6 在(a) NEDC和(b) WLTC驅動周期中，基于車輛運動功率（PM）的FCS（PFCS）和LIB（PLIB）之間的瞬時功率輸出分布。

圖7 在(a) NEDC和(b) WLTC驅動周期中的瞬時座艙熱負荷（Qcab）。

圖8 在Tamb = 38℃下的(a) NEDC和(b) WLTC驅動循環中，有無HPR的FCS和機艙空氣溫度的時間變化。同時還繪制了FCS發熱（QFCS）、客艙熱負荷（Qcab）和與車速(u)疊加的PCU發熱（QPCU）。

END

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審核編輯黃宇