近年來,“大功率”成為國內燃料電池發展的關鍵詞之一,功率躍升帶來的散熱問題引發行業關注。當前國內燃料電池企業的大功率產品進展如何?行業初期發展大功率是否過于激進?怎樣解決隨之而來的散熱問題?
奔赴大功率背后,散熱問題為什么亟待解決
相較傳統發動機,燃料電池發動機的熱效率更高,多在45%——60%范圍內,燃料電池的散熱量比傳統發動機大10%-20%左右。而在散熱問題上,燃料電池發動機的需求卻遠高于傳統發動機。
相關數據顯示,傳統的發動機散熱,15%是通過發動機機體散出,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。
而燃料電池發動機在散熱方面主要依靠散熱器,理論情況下,燃料電池系統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,燃料電池系統的熱效率約為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。
且燃料電池的工作溫度相對較低,散熱器中冷卻液與環境的溫差比傳統汽車小,給熱管理帶來了更加嚴峻的挑戰。
在實際應用中,為解決散熱問題,燃料電池電堆、系統,以及整車環節在產品研發及設計方面都需要做出相應處理,如在熱源端,電堆的設計效率、流場分布,系統的熱管理系統設計;在應用端,整車的散熱器布局等。
因此,散熱問題的解決需要燃料電池產業鏈各個環節共同努力,否則將直接影響燃料電池應用工作的穩定性和壽命,進而影響整個行業的健康安全發展。
從電堆到系統再到整車共同解決散熱難題
2022年以來,大功率燃料電池新品不斷新增。例如:氫晨科技的230kW金屬板單堆產品實現裝車應用,并率先對外展示了業內首個300kW的大功率金屬板單堆產品;氫璞創能已經打造出300kW碳板電堆;清能股份發布了單堆額定功率為250kW的VLSⅢ-250燃料電池電堆等;鯤華科技發布了單堆250kW氫燃料電池發動機系統——鯤·運200.
此外,還有重塑集團、雄韜氫瑞、清極能源、新研氫能等公司均推出大功率產品。國產燃料電池向大功率邁進的速度令人驚嘆。
“就像幾年前大家無法理解50kW、70kW的電堆一樣,現在電堆發展到200+kW看似激進,其實是市場需求下的產物,電堆企業的研發和生產遵循客戶的需求,也愿意以開放的心態迎接市場的檢驗。”某電堆企業負責人表示。
比如基于長途和重載的應用,49噸的牽引車如果真的跑干線物流,哪怕不考慮超載的情況,200kW實際上只是起步。此外,除了交通領域,大功率燃料電池在船舶、儲能等領域也有市場潛力,可有效拓寬氫能的應用邊界。市場潛力驅動燃料電池企業追求大功率技術突破。
那么,大功率燃料電池的散熱問題該如何解?從電堆環節來看,電堆設計要選取合適的材料體系,解決溫差問題,而這對膜電極的性能、密封材料的穩定性提出了更高的要求;要通過公共通道和流場設計高效地實現對散熱問題的解決和管控,如從單流道設計轉為采用多流道散熱的方式調節溫差等。
從系統環節來看,一家知名系統企業負責人建議:“系統的設計架構需要有所變化,在電堆的工作溫度偏低時,可以將輔助水路和主水路的一體化集成處理,但如果把工作溫度進一步提高,就必須把輔助水路和主水路分開,這是必然趨勢。”
從整車環節來看,一名整車企業高層也給出自己的建議:“可以通過選擇散熱性能更好的零部件,另外就是可以通過空氣動力學改進迎風面積的設計,像重卡等重載型車輛,可以利用車輛后端的空間等途徑助力解決散熱問題。”
不過,由于車的配置空間始終有限,車用領域熱管理的最大壓力最終還是回歸到電堆和系統上,上游端是解決散熱問題的關鍵。
整體看來,大功率燃料電池是終端應用需求下的產物,但當前以散熱為代表的難題仍有待解決,需要被理性嚴謹看待,需要產業鏈企業協同解決。在追求更大功率的背后,效率、穩定性等問題需要堅守,以保證行業的穩健長久發展。