什么是氢燃料电池水热管理系统？

和锂电池热管理系统不同的是，氢燃料电池内部化学反应中，水是一个很重要的成分，不仅质子交换膜上会被置换出水分，在冷却时也有水循环系统在助力。因此氢燃料电池的控温系统也被称为水热管理系统。

燃料电池系统运转原理

什么是氢燃料电池水热管理系统

燃料电池的水热管理指通过控制流经电堆的冷却液流量进行燃料电池电堆的温度控制。本质上来讲，燃料电池的水管理和热管理是密不可分的， 因为电堆内的水含量也与电堆温度有关，温度会改变饱和水蒸气压力，进而影响电堆内水蒸气的含量，所以通过热管理系统可以同时影响系统内的水平衡与热平衡。

简而言之，氢燃料电池水热管理系统类似给氢燃料电池的空调，一方面在温度方面进行调控，让氢燃料电池正常发挥功能，同时还通过“除湿”和“加湿”来让氢燃料电池感到“舒适”。

典型燃料电池系统热管理架构

水热管理系统管理目标

水管理的核心任务是使膜电极（MEA）中具有合理的水含量，以保证氢离子能够良好的在膜中传导。如果质子膜内的水含量较少，便会导致质子传导受阻，造成欧姆极化过电位增大，极易引发膜干涸现象；但是电堆内的水又不能过多，否则又容易造成阴极淹没，导致反应气的传输受阻，增加了电堆的活化极化过电位与浓差极化过电位。

热管理的核心任务是将燃料电池的工作温度控制在安全合理的范围。如果工作温度过低，电堆的活化极化损失会增强，导致电堆的性能变差；如果工作温度过高，又容易导致膜水干，使欧姆极化损失加大，导致电堆性能下降。目前大功率电堆采用冷却水循环系统，电堆热平衡需要满足的温度目标如下所示：

· 确定电堆入口温度范围。控制电堆入口冷却水温度，保证温度在70～80 ℃；

· 保证电堆内部温度的一致性。电堆内部要求温度一致性，以保证其工作性能。要求电堆进出口冷却水温差小于8 ℃，最好小于6 ℃｡

燃料电池系统在保证高温散热和低温加热的基础上，为保证系统高效、稳定的运行，需要为燃料电池系统制定合理的控制策略。热管理的控制策略主要是针对水泵、散热器、节温器进行控制，通过软盘机控制器（File Control Unit, FCU）控制各部件动作，从而保证电堆在合理的温度区间进行工作。

水热管理系统的组成

水热管理的核心在于通过控制冷却液在燃料电池电堆中的流动，实现温度的精确控制。它与电堆的热管理密不可分，因为电堆内的水含量与温度息息相关。水热管理系统主要由水泵、节温器、去离子器、中冷器、水暖PTC和散热器组成，它们共同维持系统内的水平衡与热平衡。

燃料电池系统热管理原理图

水泵负责调节冷却液流量；节温器根据温度变化调整冷却路径；去离子器确保冷却液无导电离子；中冷器冷却压缩空气；水暖PTC用以自动恒温；以及散热器，将热量散发至环境。

水热管理组成零件详解

· 水泵

作为关键组件，它给系统冷却液做功，控制冷却液流速，使冷却液循环，确保热量快速散出。一旦电堆热到“难以自拔”，冷却水泵就加大冷却液的流速来给电堆降温。为了保证电堆产生的热量能够快速、有效散发，它需要具备高流量、高扬程和良好的电磁兼容性。此外，水泵还需要实时反馈当前的运行状态或故障状态。

水泵

· 节温器

节温器用来控制冷却系统的大小循环。当冷却液温度较低时，为尽快达到系统所需的温度，节温器控制冷却液的流向，使得冷却液不经过外部散热器及风扇，形成冷却液的小循环流向。当冷却液温度不断升高，超出系统所需求的合适温度时，节温器会慢慢打开，使部分冷却液流过外部散热器进行散热，从而降低冷却液温度。当散热需求很大时，节温器将全部打开，所有冷却液都通过外部散热器，此时冷却液的流向称为大循环，其作用好比人身上穿的衣服，当觉得冷的时候需要多穿一些衣服保持温度，当热的时候需要脱掉一些衣服增加散热。

节温器由电机执行机构，阀体，进出口及壳体组成。燃料电池系统对节温器的要求是响应速度快、内部泄露量低、带位置反馈信息（电机节温器）。

节温器

冷却液的小循环与大循环路径

· 去离子器

去离子器利用树脂清除冷却液中的导电离子，确保双极板间电压不会传递，保障系统的电安全。

氢燃料电池运行过程中，冷却液的离子含量会增高，使其电导率增大，系统绝缘性降低，去离子器就是用来改善这种现象。通过吸收热管理系统中零部件释放的阴阳离子，去离子器降低了冷却液的电导率，使系统处于较高的绝缘水平。去离子器由壳体、滤网、树脂及进出口管组成。它的要求是离子交换量大、吸收离子速率快，同时成本低。

去离子器

· 中冷器

中冷器通过冷却液与空气的热交换，降低进入电堆的空气温度，其特点是热交换效率高、清洁度要求严格。

中冷器的作用是冷却来自空压机的压缩空气，它通过冷却液和空气的热交换来降低压缩空气温度，使进入电堆的空气温度在合理的范围内，主要结构由芯体、主板、水室和气室组成。中冷器的特点是热交换量大，清洁度要求高及离子释放率低。

中冷器

空气经过空压机压缩之后，温度会迅速升高可以达到150℃以上。而PEMFC的工作温度区间般为60-90℃。高温空气直接进人燃料电池堆不仅会导致燃料电池堆性能下降，更有可能造成质子交换膜损坏。因此，需要使用中冷器将空气温度降低到适合进堆的温度，经过中冷器之后，空气温度会明显下降，相对湿度也会有所提高。燃料电池系统使用的中冷器多使用间壁式中冷器。

中冷器工作原理

· 水暖PTC

PTC发热体，结合陶瓷发热元件和铝管，提供自动恒温且节能的加热功能。

在环境温度较低的情况下，燃料电池面临低温挑战。水暖PTC是给电堆在低温冷启动时给冷却液辅助加热的，使冷却液尽快达到需求的温度，缩短燃料电池系统冷启动时间，就好比天气较冷的时候，运动员正式比赛前，先要做好充分的“热身运动”。水暖PTC由加热芯体、控制板及壳体组成，其要求是响应快、功率稳定。

水暖PTC

· 散热器

散热器负责散热，要求具有大散热量、高清洁度和低离子释放率，同时配合高效的散热风扇。

散热器顾名思义就是用来散热的，它将冷却液的热量传递给环境，降低冷却液的温度。如果类比于人体，其作用好似人身上的皮肤，通过和环境的温差来进行散热。散热器本体需求的散热量大、清洁度要求高、离子释放率低，散热器的风扇要求风量大、噪音低、无级调速并需要反馈相应的运行状态。

散热风扇

· 冷却管路

冷却管路作为氢燃料电池的“血管”，连接着各零部件，使冷却液形成完整的循环。与所有零部件要求一样，冷却管路要求绝缘性及较高的清洁度。

冷却管路

水热管理系统的冷却液

氢燃料电池的冷却水成分主要包括乙二醇型冷却液和纯水型冷却液。

乙二醇型冷却液主要由乙二醇、缓蚀剂、抗氧剂等成分组成。乙二醇作为冷却液的主要成分，具有成本低、良好的防冻性能、较高的安全性、防腐蚀和可回收等优势。此外，乙二醇型冷却液还具有良好的热传导性能和稳定性，能够满足氢燃料电池的冷却需求。然而，乙二醇作为一种有机溶剂，具有较高的渗透性，有可能和质子交换膜交互作用，从而损害质子交换膜。

纯水也是氢燃料电池常用的冷却介质。纯水对氢燃料电池的反应具有良好的耐受性，同时热传导性能也很好。在氢燃料电池中，纯水可以通过循环系统将热量带走，保持电池堆和电池单体的温度稳定。此外，纯水的化学性质稳定，不会与电池内部的材料发生化学反应，从而保证了氢燃料电池的安全性。但纯水在低温环境下可能会结冰，导致冷却系统失效。因此，在寒冷地区或冬季使用时，需要采取相应的防冻措施，如添加乙二醇等防冻剂来降低水的冰点。

升温和降温的执行模式

· 升温模式

a.  冷启动阶段，加热器阀关闭，冷却液经去离子器回到燃料电池，驾驶室暖风循环水路加热氢气循环泵与排水排气阀。

b.  冷启动成功后，加热器阀打开，冷却液经去离子器和驾驶室暖风循环水混合后到燃料电池。

c.  加热需求降低，加热器停止加热，仅依靠燃料电池加热，冷却液经过去离子器和驾驶室暖风循环水路回到燃料电池。

d.  冷却液温度大于燃料电池目标温度，节温器打开，冷却液经过去离子器、散热器和驾驶员暖风循环水路回到燃料电池。

· 冷却模式

a.  燃料电池功率输出较小时，冷却需求不高，冷却液经去离子器回到燃料电池。

b.  当燃料电池功率输出变大，冷却需求提高，节温器打开，冷却液经去离子器和散热器回到燃料电池。

c.  冷却需求继续提高，冷却风扇开始工作，节温器打开，冷却液经去离子器和散热器回到燃料电池。

d.  燃料电池持续大功率输出时，冷却需求继续提高，加热器阀打开，冷却风扇工作，节温器打开冷却液经去离子器和散热器以及驾驶员暖风循环水回到燃料电池。

水热管理系统的技术难关

氢燃料电池水热管理系统相比传统燃油发动机而言，主要面临两个较大的挑战：

一是零部件离子释放的控制，在热管理系统的零部件中，中冷和散热器较容易释放离子，导致冷却液电导率升高，进一步影响到系统的绝缘。目前主要缓解该问题的方式是零部件增加清洗工艺，但按照当前的状态，清洗往往需要很长时间，影响生产节拍，同时清洗的效果也有限，无法避免离子的长期释放。未来探索新的生产工艺、更合理的系统设计都将有助于改善相关的问题。

二是散热效率需要提高。一般而言，在相同的车辆运行条件下，氢燃料电池的散热量比传统燃油发动机大10%-20%左右，但燃料电池系统的运行温度较低，与环境的温差较小，这导致了燃料电池对散热要求相比传统车高了很多。除了增加散热面积外，更优的散热器设计，更合理的进气格栅设计，更高的电堆效率都将有助于解决散热困难的问题。

更好的热管理系统有助于提高氢燃料电池系统的使用寿命，同时更合理的热量综合利用有利于系统的节能减排。

水热管理系统生产企业

水热管理系统国外著名生产厂商包括巴拉德动力、丰田、佛吉亚和博世。国内企业以亿华通、格罗夫、九昌新能源为主。

  亿华通：

亿华通通过自主研发和整合资源，在氢燃料电池发动机和电池热管理系统上取得了显著成果，构建了完整的解决方案。

为优化整车的环境适应性，亿华通开发了基于多热域耦合协调控制的燃料电池系统余热利用控制策略。由于燃料电池发动机系统遵循高温高湿高压的技术路线，电堆出口水温最高超过 85 ℃，较高的水温使得余热利用系统更容易回收冷却液中的热量，用于冬季车厢内的暖风、除霜等；同时，较高的水温也降低了对燃料电池发动机散热器散热面积的要求，有利于整车布置。

亿华通整车热管理结构

  格罗夫：

格罗夫氢能源科技集团有限公司是一家独立专注于氢能汽车产业生态的主导型企业。集团母公司资环工研院（IGE），是武汉市和中国地质大学（武汉）联合创建的科技成果转化、战略产业培育的科技创新发展平台。格罗夫作为氢能乘用车的先驱，在全功率氢能动力系统、全新平台架构、创新能量管理系统、轻量化车身、整车 VCU 控制系统、热管理技术等核心领域构建技术壁垒，形成具有自主知识产权的核心技术。

  九昌新能源：

九昌新能源科技（扬州）有限公司是一家专注于氢燃料电池发动机热管理系统关键零部件研发、制造和销售的科技型企业。具备多款型号的多功能膨胀水箱产品，该多功能膨胀水箱针对氢燃料车进行定制开发，集成去离子器、液位传感器及电导率传感器，实现低液位报警和冷却液电导率实时监控的功能，并根据系统内部压力变化进行补气和泄压。

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