热管理系统介绍

燃料电池中多余热量排出方案的选择取决于燃料电池的大小。通常情况下，燃料电池的冷却方式有水冷式和风冷式。水冷式一般采取冷却循环水泵强制循环水流过电堆，带走多余热量，然后经过散热器由水将热量传递给环境，达到散热的目的；风冷式则通常利用燃料电池阴极空气将反应过程中产生的热量直接带到系统外，有自然冷却和强制冷却两种方式。在实际应用中，低于100 W的电池可以采用完全空气对流进行冷却，这种方式可以提供充足的空气流量供应氧和排出生成水，无须附加风扇等设备。功率高于100 W的小型燃料电池需要采用外部风机实现强制冷却。

随着燃料电池功率增大，风冷系统很难保证电堆保持在同样的温度范围内运行。另外，冷却空气占用通道使电堆体积远远大于实际所需。综合各种因素，高于5 k W的PEMFC电堆系统采用水冷方式。本书涉及的PEMFC发动机作为车载的主要动力源，其功率较大，采用水冷散热。

PEMFC发动机热管理系统包括水泵、散热器、冷却风扇、流量传感器、温度传感器、电导率传感器、旁路阀、水箱及冷却水去离子器等。

水泵对冷却液（一般为去离子水）加压，并带动冷却液在电堆内循环流动，将电堆工作过程中产生的多余热量排出。散热器、旁路阀是冷却水温度控制的执行单元（执行器）。散热器实现冷却液与环境的热交换。旁路阀用于保证燃料电池在冷起动过程中温度能够迅速升高，并在不同环境温度下精确控制燃料电池温度。

ECU根据温度、流量信息来控制循环水泵的流量及冷却风扇的转速，使冷却水保持在最佳温度状态。当电导率传感器监测到冷却水的电导率将超限时，由ECU报警对去离子器进行更换，必要时由ECU控制切断氢气和空气的供给。

从构成和工作原理上看，PEMFC发动机的热管理系统和内燃机的冷却系统除了冷却介质电导率的要求不同外，几乎没有太大的差别。然而，由于两者的工作温度不同，散热要求也不同。一方面，内燃机的工作温度远远高于PEMFC发动机，内燃机尾气所能带出的热量远远大于PEMFC发动机尾气所能带出的热量；另一方面，冷却介质和环境之间的温差不同，相同的散热器在内燃机上所起到的散热效果要好于在PEMFC发动机上。正是因为上述差异，同等规模（输出功率）的内燃机上配置的散热系统移植到PEMFC发动机上，往往无法满足其散热要求。现阶段，散热器的能力成为限制PEMFC发动机规模的主要瓶颈之一。此外，内燃机对工作温度和冷却介质工作压力的要求远低于 PEMFC发动机的要求。