光伏电站预制舱的氢燃料电池热管理系统：效率提升至60%
来源：安徽正变电气科技有限公司
发布时间：2025-06-26 10:33:00
在能源转型的大背景下，光伏电站作为可再生能源的重要代表，发展迅猛。然而，光伏发电的间歇性与不稳定性，制约了其在能源供应体系中的占比提升。氢燃料电池技术的引入，为解决这一难题带来了曙光。通过光伏电解水制氢，将电能转化为化学能存储，再利用氢燃料电池发电，实现了能量的灵活转换与存储。但氢燃料电池在运行过程中会产生大量热量，若不加以有效管理，将严重影响其性能与寿命，进而制约整个光伏电站预制舱能源系统的效率。因此，研发高效的氢燃料电池热管理系统，成为提升光伏电站预制舱能源综合利用效率的关键。
氢燃料电池以氢气和氧气为原料，通过电化学反应将化学能直接转化为电能。在质子交换膜燃料电池（PEMFC）中，氢气在阳催化剂作用下分解为质子和电子，质子穿过质子交换膜到达阴，电子则通过外电路形成电流，氧气在阴与质子和电子结合生成水。其总反应式为：2H₂ + O₂ → 2H₂O。这一过程无需燃烧，能量转换效率理论上可达 80% 以上，但实际受多种因素限制，通常在 40% - 60%。
电化学反应产热：电化学反应本身并非可逆，存在熵变，导致部分能量以热能形式释放。根据热力学原理，反应焓变与熵变的差值即为电化学反应产生的热量。以常见的 PEMFC 为例，在标准状态下，每产生 1mol 水，约有 48.6kJ 的热量因熵变产生。
欧姆化产热：电池内部的质子交换膜、电、双板等部件存在电阻，当电流通过时，遵循焦耳定律 Q = I²Rt 产生热量。其中，质子交换膜的电阻占比较大，其电阻值受膜的材质、厚度、含水量等因素影响。例如，当膜含水量降低时，电阻增大，欧姆化产热增加。
活化化产热：电化学反应在电表面进行时，需要克服一定的活化能，这部分额外消耗的能量转化为热能。活化化过电位与电材料、催化剂活性、反应气体浓度等有关。如催化剂活性降低，活化化过电位增大，产热增加。
浓差化产热：反应过程中，反应物在电表面的浓度分布不均匀，靠近反应区域的浓度逐渐降低，形成浓差化。浓差化导致反应速率下降，为维持反应进行，需额外消耗能量，从而产生热量。当氢气或氧气供应不足时，浓差化加剧，产热增加。
温度对电化学反应速率的影响：适宜的温度能加速电化学反应速率，提高电池输出功率。一般来说，PEMFC 的工作温度在 60℃ - 80℃之间。当温度低于此范围时，反应动力学迟缓，活化化过电位增大，电池性能下降；温度过高，质子交换膜脱水，质子传导受阻，欧姆化过电位增大，同样导致性能恶化。例如，在某实验中，当温度从 70℃降至 50℃时，电池输出功率降低了 20%。
温度均匀性对电池一致性的影响：燃料电池由多个单电池串联组成，若电池堆内温度分布不均匀，各单电池性能出现差异，导致电池堆整体性能下降。高温区域的单电池可能因膜脱水、催化剂烧结等问题，性能严重衰退，而低温区域的单电池反应速率受限，无法充分发挥作用。研究表明，当电池堆内温差超过 5℃时，电池性能下降明显，且循环寿命缩短。
高温对质子交换膜的损伤：长期处于高温环境下，质子交换膜会发生热降解、化学降解等。热降解使膜的机械性能下降，易出现穿孔、破裂等问题；化学降解则破坏膜的离子传导结构，导致质子传导能力丧失。例如，当温度超过 85℃时，质子交换膜的使用寿命会大幅缩短，从正常工况下的 5000 - 10000 小时，降至 1000 - 3000 小时。
温度波动对电与催化剂的影响：频繁的温度波动会在电与催化剂层产生热应力，导致催化剂颗粒团聚、脱落，活性表面积减小，催化活性降低。同时，热应力还可能使电与质子交换膜之间的界面结合力下降，增加电池内阻，影响电池性能与寿命。模拟实验显示，在温度波动幅度为 ±10℃的工况下，电池循环寿命缩短了 30% - 40%。
工作原理与特点：风冷技术是利用空气作为冷却介质，通过强制对流或自然对流带走燃料电池产生的热量。在强制对流风冷系统中，通常采用风机将空气吹过电池堆表面或内部冷却通道。其优点是结构简单、成本低、无需额外的冷却液循环系统，维护方便。例如，小型便携式氢燃料电池系统多采用风冷技术。然而，风冷的散热效率相对较低，空气的比热容小，需要较大的空气流量才能带走足够的热量，这导致风机功耗增加，且难以实现电池堆内精确的温度控制与均匀散热。
适用场景与局限性：风冷技术适用于功率较小、对散热空间和重量要求较高且运行工况相对稳定的氢燃料电池系统，如部分无人机、叉车等应用场景。但在大型光伏电站预制舱中，氢燃料电池功率较大，产热量高，风冷技术难以满足散热需求，容易导致电池温度过高，影响性能与寿命。
工作原理与特点：液冷技术以液体（如水、乙二醇水溶液等）作为冷却介质，通过冷却液在电池堆内部冷却通道循环流动，吸收热量并将其带出电池堆，再通过散热器将热量散发到环境中。冷却液的比热容大，能携带更多热量，散热效率高，可实现精确的温度控制与较好的温度均匀性。例如，在一些车用氢燃料电池系统中，采用液冷技术能将电池堆温度波动控制在 ±2℃以内。但液冷系统结构相对复杂，需要配备水泵、散热器、膨胀水箱等组件，成本较高，且存在冷却液泄漏风险。
适用场景与局限性：液冷技术适用于功率较大、对温度控制精度要求高的氢燃料电池系统，如电动汽车、分布式发电站等。在光伏电站预制舱中，液冷技术虽能有效解决散热问题，但需合理设计冷却管路与控制系统，冷却液循环稳定，同时要采取措施防止冷却液泄漏对电池及其他设备造成损害。
工作原理与特点：相变材料（PCM）冷却技术利用相变材料在发生相变（如固 - 液相变）过程中吸收或释放大量潜热的特性来调节电池温度。当电池温度升高时，相变材料吸收热量发生相变，将热量存储起来；当电池温度降低时，相变材料释放热量恢复原状。相变材料具有较高的相变潜热，能在较小的温度变化范围内吸收大量热量，实现被动式热管理，无需额外的动力设备，可靠性高。例如，石蜡类相变材料的相变潜热可达 200 - 300kJ/kg。但相变材料的热导率较低，热量传递速度慢，且相变过程存在过冷现象，影响其散热性能的发挥。
适用场景与局限性：相变材料冷却技术适用于对电池温度波动要求不高、短时间内产热较大的场景，如氢燃料电池的启动阶段或峰值功率运行阶段。在光伏电站预制舱中，可将相变材料与其他冷却技术结合使用，作为辅助散热手段，提高热管理系统的整体性能。
多回路协同冷却架构：设计一套包含液冷主回路、风冷辅助回路和相变材料热缓冲层的多回路协同冷却系统。液冷主回路负责带走电池堆产生的大部分热量，通过优化设计冷却通道结构，冷却液在电池堆内均匀分配，实现高效散热与精确温度控制。风冷辅助回路在电池堆温度过高或液冷系统出现故障时启动，作为应急散热手段，同时在低负荷工况下，可辅助液冷系统维持电池堆温度稳定。相变材料热缓冲层设置在电池堆与冷却结构之间，利用相变材料的潜热存储特性，吸收电池堆在瞬态工况下产生的热量峰值，减少温度波动。
智能控制系统集成：引入智能控制系统，通过温度传感器实时监测电池堆不同位置的温度，将数据传输至控制器。控制器根据预设的温度阈值和运行工况，自动调节液冷回路中水泵的转速、风冷回路中风机的风量以及相变材料的状态（如通过加热或冷却装置控制相变材料的相变时机）。例如，当电池堆温度接近上限阈值时，控制器增大水泵转速，提高冷却液流量，同时启动风冷风机，增强散热效果；当温度恢复正常范围后，逐步降低水泵转速和风机风量，以降低能耗。
高效散热器设计：选用高效紧凑的散热器，如微通道散热器。微通道散热器具有较大的散热面积与较小的体积，其内部微通道结构能增强冷却液与空气之间的换热效率。通过数值模拟优化微通道的形状、尺寸和排列方式，使散热器在有限的空间内实现的散热能力。例如，采用正弦波形微通道结构的散热器，相较于传统直通道散热器，散热效率可提高 20% - 30%。同时，在散热器表面涂覆高发射率的散热涂层，增强辐射散热效果。
高性能冷却液选择：研发适配光伏电站预制舱环境的高性能冷却液。冷却液需具备高比热容、高导热系数、低粘度、低冰点、高沸点以及良好的化学稳定性。例如，采用添加纳米颗粒（如纳米氧化铝、纳米铜等）的水 - 乙二醇混合冷却液，纳米颗粒能提高冷却液的导热系数，增强散热性能。实验表明，添加 0.5%（质量分数）纳米氧化铝颗粒的冷却液，导热系数可提高 10% - 15%。此外，对冷却液进行防腐、防垢处理，防止其对冷却系统管路和电池堆造成腐蚀与堵塞。
相变材料优化与封装：筛选适合氢燃料电池热管理的相变材料，如有机 - 无机复合相变材料。这类相变材料结合了有机相变材料相变潜热高、无机相变材料热导率高的优点。通过对有机和无机成分的比例优化，使其相变温度与氢燃料电池的工作温度范围相匹配，同时提高热导率。例如，采用石蜡与膨胀石墨复合制备的相变材料，热导率可提高 3 - 5 倍。将相变材料封装在具有高导热性和良好机械性能的容器中，如金属泡沫材料制成的封装容器，相变材料在工作过程中的稳定性与可靠性，同时增强其与电池堆及冷却结构之间的热传递效率。
搭建光伏电站预制舱氢燃料电池热管理系统实验平台，模拟实际运行工况。实验平台包括氢燃料电池堆、多回路协同冷却系统、智能控制系统、温度传感器、数据采集装置等。氢燃料电池堆采用与实际光伏电站预制舱应用相同规格的产品，额定功率为 [X] kW。在电池堆的关键部位（如阳、阴、膜电等）布置高精度温度传感器，实时监测温度变化。数据采集装置以 1Hz 的频率采集温度、冷却液流量、风机风量等数据，并传输至计算机进行分析处理。
稳态工况测试：在不同的恒定负载下（如 20%、50%、80% 额定功率），运行氢燃料电池，测试热管理系统在稳态工况下对电池堆温度的控制能力。记录电池堆不同位置的温度分布，计算温度均匀性指标（如温差、标准差等）。同时，监测冷却系统各部件（如水泵、风机）的能耗，评估系统的能效比。
动态工况测试：模拟光伏电站实际运行中氢燃料电池的动态工况，如启动、停机、负载突变等过程。测试热管理系统在动态工况下对电池堆温度变化的响应速度与调节能力。观察相变材料在瞬态工况下的热缓冲效果，记录电池堆温度的峰值与恢复时间，评估系统对温度波动的抑制能力。
通过数值模拟软件（如 ANSYS FLUENT、COMSOL Multiphysics 等）对热管理系统进行建模与仿真。将实验测试得到的参数（如冷却液物性参数、相变材料热物理参数等）输入模拟模型，模拟不同工况下电池堆内的温度场、流场分布以及热管理系统的散热过程。模拟结果与实验测试数据相互验证，进一步优化热管理系统的设计。例如，通过模拟发现冷却通道内存在局部流动死区，导致电池堆部分区域散热不良，通过调整冷却通道结构，改善了冷却液流动分布，降低了电池堆温差，提高了温度均匀性。模拟结果表明，优化后的热管理系统能将电池堆温度稳定控制在 65℃ - 75℃之间，温差小于 3℃，在不同工况下均能有效提升氢燃料电池的性能与寿命，为光伏电站预制舱能源系统效率提升至 60% 提供了有力保障。
本研究针对光伏电站预制舱的氢燃料电池热管理问题，深入分析了氢燃料电池的工作原理、产热机制以及热管理对其性能与寿命的影响。对现有风冷、液冷和相变材料冷却等热管理技术进行了评估，明确了各自的优缺点与适用场景。在此基础上，创新性地设计了多回路协同冷却架构的热管理系统，并对关键部件进行了选型与优化。通过搭建实验平台进行性能测试，结合数值模拟验证，结果表明该热管理系统能有效将氢燃料电池堆温度控制在适宜范围，提高温度均匀性，抑制温度波动，提升了氢燃料电池的性能与寿命，使光伏电站预制舱能源系统的综合效率成功提升至 60%，为光伏与氢能融合发展的能源系统提供了可靠的热管理解决方案。
与储能系统的深度融合：进一步研究热管理系统与储能系统（如电池储能、储氢系统等）的协同运行机制。例如，利用储氢系统的低温特性，优化氢燃料电池热管理系统的散热流程，实现热量的梯级利用；在电池储能系统充放电过程中，根据其产热特性，与氢燃料电池热管理系统共享散热资源，提高整个能源系统的集成度与能效水平。
智能化与自适应控制升级：引入人工智能、大数据分析等技术，实现热管理系统的智能化与自适应控制。通过对大量运行数据的学习与分析，热管理系统能够根据不同的环境条件、运行工况以及氢燃料电池的实时状态，自动优化控制策略，实现精准的温度调节与能耗管理。例如，利用机器学习算法预测氢燃料电池的产热趋势，提前调整冷却系统参数，提高系统响应速度与稳定性。
新材料与新技术的应用探索：持续关注新材料与新技术的发展，探索其在氢燃料电池热管理领域的应用可能性。如高导热、高强度且轻量化的材料用于冷却结构制造，进一步提高散热效率与系统可靠性；基于微机电系统（MEMS）技术的微型热管理装置，实现更精细的温度控制与系统集成；以及利用热声制冷、磁制冷等制冷技术，为氢燃料电池热管理提供创新解决方案，推动光伏电站预制舱氢燃料电池热管理技术不断发展进步。
