燃料電池熱管理提升路徑在哪？
大功率密度、高冷啟動性能、自增濕以及車用工況的匹配等都對燃料電池的熱管理策略提出了更高的要求。要用好氫燃料電池，做好熱管理尤為關鍵。
“燃料電池熱管理的最大瓶頸還是在于電堆的性能提升。”佛山市清極能源科技有限公司副總?cè)~長流告訴高工氫電，燃料電池熱管理的關鍵器件已經(jīng)不存在“卡脖子”問題，從長遠來看，要做好熱管理，還需要提升改進燃料電池堆的性能。
熱管理的主要元器件
氫燃料電池的熱管理系統(tǒng)將電堆反應生成的熱量排出系統(tǒng)外，使電堆維持在適合的溫度區(qū)間工作。事實上，燃料電池熱管理系統(tǒng)主要包括燃料電池熱管理（燃料電池本體）和動力系統(tǒng)平臺熱管理兩部分。從燃料電池系統(tǒng)熱管理的元器件組成來看，又主要由水泵、節(jié)溫器、去離子器、中冷器、水暖PTC、冷卻模塊及冷卻管路等不同部分組成。
燃料電池為什么需要熱管理？
燃料電池動力系統(tǒng)（簡稱：FCPS）的熱效率一般為35%-45%左右，而傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機的熱效率在30%以下，在產(chǎn)生相同的功率的情況下，燃料電池汽車一般要比燃油汽車節(jié)能25%左右，由此可見FCPS的環(huán)保和節(jié)能優(yōu)勢比較突出。
然而，盡管燃料電池發(fā)動機（簡稱：FCE）的效率遠高于傳統(tǒng)發(fā)動機，但是其散熱問題卻是一個巨大的考驗。
相關研究數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的發(fā)動機散熱，15%是通過發(fā)動機機體散出，40%通過排氣管以尾氣的形式排放，只有8%的熱量是通過散熱器散出。跟傳統(tǒng)的燃油發(fā)動機不同，F(xiàn)CE在散熱方面主要依靠散熱器，理論上，F(xiàn)CPS的熱效率和散熱器的熱量在41%左右，有18%的熱量需要通過散熱器來散出。
但在惡劣的工況下，F(xiàn)CPS的熱效率約為35%，此時僅有3%的熱量是通過尾氣排出，其余62%的熱量需要通過散熱器來散發(fā)。
由于燃料電池的工作溫度相對較低，散熱器中冷卻液與環(huán)境的溫差比傳統(tǒng)汽車小，這也為其熱管理帶來了嚴峻挑戰(zhàn)。
提升電堆性能是做好熱管理的基礎
事實上，改變電堆的輸出功率是通過改變電流的密度實現(xiàn)的。但是，隨著電流密度的改變，電堆發(fā)熱功率也會明顯變化，這就需要對熱管理系統(tǒng)進行調(diào)節(jié)，以防止電堆過熱影響壽命和運行安全或溫度過低降低效率。
在電堆的實際運行中會發(fā)現(xiàn)，如果需要調(diào)整電堆的溫度，需要通過調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速來實現(xiàn)。若僅在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)水泵的轉(zhuǎn)速，可能無法實現(xiàn)調(diào)節(jié)電堆溫度的目標。若調(diào)節(jié)水泵轉(zhuǎn)速至一定數(shù)值之上，水泵轉(zhuǎn)速的提高又只能增加熱管理系統(tǒng)的功耗，造成能量密度損失，降低發(fā)動機的效率。
如何在效率和熱管理方面達成最優(yōu)化，成為擺在電堆企業(yè)面臨的難題。此外，在實際裝車應用的過程中，還需要考慮體積等其它方面的因素。
“考慮到車用燃料電池的配置空間，特別是乘用車的高要求，熱管理最大的壓力反而轉(zhuǎn)移到電堆上了。”葉長流表示，希望適配的散熱器能做的更小，功耗更低，這也要求電堆的散熱量要小，效率要高，進而對電堆的運行溫度和濕度的匹配提出了更高的要求。
現(xiàn)階段，熱管理的配件基本能夠滿足供應，核心環(huán)節(jié)依然在于電堆環(huán)節(jié)。
“溫差要大，這對電堆來說就是很大的挑戰(zhàn)。”國內(nèi)一家燃料電池企業(yè)熱管理工程師認為，電堆工作的溫度越高，又會導致濕度降低，也又對膜電極的耐低濕度帶來的挑戰(zhàn)。這要提升電堆效率，需要性能更好的膜電極。
另從雙極板的角度來看，石墨板和金屬板在熱管理的散熱性能方面差別不大，但是在冷啟動方面，石墨板的加熱速度較慢，金屬板要明顯優(yōu)于石墨板。這意味著，不同類型的電堆對于熱管理的需求也不一樣。
若對標國外先進的熱管理水平，國內(nèi)還有很多地方有待改進。
“從目前已經(jīng)成熟應用的情況來看，國內(nèi)的燃料電池熱管理跟國外相比還有較大的差距。”國內(nèi)一家燃料電池汽車熱管理工程師認為，這種差距主要體現(xiàn)在電堆上。國內(nèi)的電堆的工作溫度控制在60度到70度左右，但是國外能做到80度以上，這與膜電極的耐熱性密切相關。
“按照額定電壓0.67V，國內(nèi)膜電極的電流密度在1A/cm2左右，同樣的電壓，國外能做到1.5A-2A/ cm2。”一名技術人員認為，在膜電極方面，國內(nèi)外差距還是比較大的。
當然不必過于悲觀，現(xiàn)在國內(nèi)的電堆企業(yè)進步很快，很多國內(nèi)公司在對標豐田公司的先進標準。高工氫電了解到，目前有少數(shù)國內(nèi)電堆企業(yè)研發(fā)的樣堆膜電極耐受溫度能達到85度，相當于接近豐田在2014年的水平。
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