近年來(lái)，“大功率”成為國(guó)內(nèi)燃料電池發(fā)展的關(guān)鍵詞之一，功率躍升帶來(lái)的散熱問(wèn)題引發(fā)行業(yè)關(guān)注。當(dāng)前國(guó)內(nèi)燃料電池企業(yè)的大功率產(chǎn)品進(jìn)展如何？行業(yè)初期發(fā)展大功率是否過(guò)于激進(jìn)？怎樣解決隨之而來(lái)的散熱問(wèn)題？
奔赴大功率背后，散熱問(wèn)題為什么亟待解決
相較傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的熱效率更高，多在45%——60%范圍內(nèi)，燃料電池的散熱量比傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)大10%-20%左右。而在散熱問(wèn)題上，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的需求卻遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)。
相關(guān)數(shù)據(jù)顯示，傳統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)散熱，15%是通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)體散出，40%通過(guò)排氣管以尾氣的形式排放，只有8%的熱量是通過(guò)散熱器散出。
而燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)在散熱方面主要依靠散熱器，理論情況下，燃料電池系統(tǒng)的熱效率和散熱器的熱量在41%左右，有18%的熱量需要通過(guò)散熱器來(lái)散出;但在惡劣的工況下，燃料電池系統(tǒng)的熱效率約為35%,此時(shí)僅有3%的熱量是通過(guò)尾氣排出，其余62%的熱量需要通過(guò)散熱器來(lái)散發(fā)。
且燃料電池的工作溫度相對(duì)較低，散熱器中冷卻液與環(huán)境的溫差比傳統(tǒng)汽車小，給熱管理帶來(lái)了更加嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。
在實(shí)際應(yīng)用中，為解決散熱問(wèn)題，燃料電池電堆、系統(tǒng)，以及整車環(huán)節(jié)在產(chǎn)品研發(fā)及設(shè)計(jì)方面都需要做出相應(yīng)處理，如在熱源端，電堆的設(shè)計(jì)效率、流場(chǎng)分布，系統(tǒng)的熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì);在應(yīng)用端，整車的散熱器布局等。
因此，散熱問(wèn)題的解決需要燃料電池產(chǎn)業(yè)鏈各個(gè)環(huán)節(jié)共同努力，否則將直接影響燃料電池應(yīng)用工作的穩(wěn)定性和壽命，進(jìn)而影響整個(gè)行業(yè)的健康安全發(fā)展。
從電堆到系統(tǒng)再到整車共同解決散熱難題
2022年以來(lái)，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(chǎn)品實(shí)現(xiàn)裝車應(yīng)用，并率先對(duì)外展示了業(yè)內(nèi)首個(gè)300kW的大功率金屬板單堆產(chǎn)品;氫璞創(chuàng)能已經(jīng)打造出300kW碳板電堆;清能股份發(fā)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(fā)布了單堆250kW氫燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)——鯤·運(yùn)200.
此外，還有重塑集團(tuán)、雄韜氫瑞、清極能源、新研氫能等公司均推出大功率產(chǎn)品。國(guó)產(chǎn)燃料電池向大功率邁進(jìn)的速度令人驚嘆。
“就像幾年前大家無(wú)法理解50kW、70kW的電堆一樣，現(xiàn)在電堆發(fā)展到200+kW看似激進(jìn)，其實(shí)是市場(chǎng)需求下的產(chǎn)物，電堆企業(yè)的研發(fā)和生產(chǎn)遵循客戶的需求，也愿意以開(kāi)放的心態(tài)迎接市場(chǎng)的檢驗(yàn)。”某電堆企業(yè)負(fù)責(zé)人表示。
比如基于長(zhǎng)途和重載的應(yīng)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(shí)際上只是起步。此外，除了交通領(lǐng)域，大功率燃料電池在船舶、儲(chǔ)能等領(lǐng)域也有市場(chǎng)潛力，可有效拓寬氫能的應(yīng)用邊界。市場(chǎng)潛力驅(qū)動(dòng)燃料電池企業(yè)追求大功率技術(shù)突破。
那么，大功率燃料電池的散熱問(wèn)題該如何解？從電堆環(huán)節(jié)來(lái)看，電堆設(shè)計(jì)要選取合適的材料體系，解決溫差問(wèn)題，而這對(duì)膜電極的性能、密封材料的穩(wěn)定性提出了更高的要求;要通過(guò)公共通道和流場(chǎng)設(shè)計(jì)高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)散熱問(wèn)題的解決和管控，如從單流道設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)為采用多流道散熱的方式調(diào)節(jié)溫差等。
從系統(tǒng)環(huán)節(jié)來(lái)看，一家知名系統(tǒng)企業(yè)負(fù)責(zé)人建議：“系統(tǒng)的設(shè)計(jì)架構(gòu)需要有所變化，在電堆的工作溫度偏低時(shí)，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(jìn)一步提高，就必須把輔助水路和主水路分開(kāi)，這是必然趨勢(shì)。”
從整車環(huán)節(jié)來(lái)看，一名整車企業(yè)高層也給出自己的建議：“可以通過(guò)選擇散熱性能更好的零部件，另外就是可以通過(guò)空氣動(dòng)力學(xué)改進(jìn)迎風(fēng)面積的設(shè)計(jì)，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(wèn)題。”
不過(guò)，由于車的配置空間始終有限，車用領(lǐng)域熱管理的最大壓力最終還是回歸到電堆和系統(tǒng)上，上游端是解決散熱問(wèn)題的關(guān)鍵。
整體看來(lái)，大功率燃料電池是終端應(yīng)用需求下的產(chǎn)物，但當(dāng)前以散熱為代表的難題仍有待解決，需要被理性嚴(yán)謹(jǐn)看待，需要產(chǎn)業(yè)鏈企業(yè)協(xié)同解決。在追求更大功率的背后，效率、穩(wěn)定性等問(wèn)題需要堅(jiān)守，以保證行業(yè)的穩(wěn)健長(zhǎng)久發(fā)展。
