燃料電池熱管理系統(tǒng)設(shè)計及研究

更新時間：2021-12-14

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【摘要】熱管理系統(tǒng)在燃料電池發(fā)動機開發(fā)中有著非常重要的作用。文章以50 kW燃料電池發(fā)動機為例，分析了燃料電池系統(tǒng)熱管理熱量排出方式及比例，闡述了熱管理系統(tǒng)冷卻液流量、壓力及熱量等計算與分析，包括冷卻水路阻力損失、電堆工作放熱及溫度控制等的計算，同時介紹了關(guān)鍵零部件選型，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計以及優(yōu)化和建議，為相關(guān)設(shè)計人員設(shè)計和選用水泵、去離子器、節(jié)溫器等主要部件提供了參考依據(jù)，研究結(jié)果對燃料電池汽車發(fā)動機熱管理系統(tǒng)設(shè)計具有重要參考價值。

1 前言

影響燃料電池發(fā)動機性能的因素很多,其中溫度對電堆性能的影響很大。燃料電池發(fā)動機工作時電堆連續(xù)產(chǎn)生熱量,如果產(chǎn)生的熱量不及時排掉,電堆溫度將逐漸升高,一方面，溫度升高可提高催化劑活性，提高質(zhì)子交換膜上的質(zhì)子傳遞速度，從而提高電化學反應(yīng)速度,反應(yīng)電流升高,電堆性能變好。但燃料電池反應(yīng)生成的水隨反映氣體排出的速度也會升高。由于水含量會影響質(zhì)子交換膜的濕潤條件，所以溫度過高時，質(zhì)子交換膜會產(chǎn)生脫水現(xiàn)象,電導(dǎo)率下降,電堆性能變差,另外，由于質(zhì)子交換膜為聚合物電解質(zhì),當溫度接近100℃時,膜的強度將下降,如不及時降溫,膜會出現(xiàn)微孔通過微孔與空氣混合,影響運行安全。當電堆內(nèi)部溫度過低時,催化劑活性下降，輸出電壓降低,電堆性能變差。因此,維持電堆內(nèi)部正常電化學反應(yīng)的工作溫度范圍應(yīng)保持在70～80℃。

燃料電池熱管理系統(tǒng)對燃料電池的性能、壽命和安全起著重要作用,所以一個有效的熱管理系統(tǒng)可以維持燃料電池在70～80℃之間安全、穩(wěn)定、高效運行,燃料電池的熱管理,主要是通過冷卻液在燃料電池發(fā)動機及電堆內(nèi)部流動，傳遞熱量，對氫氣與空氣的反應(yīng)溫度進行控制,保持電堆內(nèi)的熱平衡。

2 熱管理系統(tǒng)設(shè)計要求

在工程實際應(yīng)用中,燃料電池的冷卻方式主要水冷。尤其燃料電池發(fā)動機大功率輸出時,電堆工作溫度與周圍環(huán)境溫度相差不大,通過熱輻射方式散去的熱量很小，必須采用水冷方式排出大量的熱量，而且燃料電池發(fā)動機維持熱平衡要滿足以下要求[3]：

2.1 確定電堆運行溫度范圍

通常電堆設(shè)定的單體(Cell)工作電壓為0.60～O.75 V,其能量轉(zhuǎn)化效率在50%～60%區(qū)間,其余能量為電化學反應(yīng)放出的熱量，須由循環(huán)冷卻水將其帶出，才能維持電堆內(nèi)部溫度的平衡。電堆在大電流密度運行時，為確保各每個Cell運行溫度均勻,防止局部過熱,大多數(shù)設(shè)計為雙極板設(shè)置不同形狀的冷卻循環(huán)水流道，使相同溫度的冷卻水流經(jīng)每片反應(yīng)堆后，由同一出口流出，將反應(yīng)多余熱量帶走,以保證各Cell的運行溫度穩(wěn)定。對不同的車輛在不同的工況下運行時,燃料電池發(fā)動機熱管理系統(tǒng)要確保電堆在一個高效、安全的溫度范圍內(nèi)工作,即一方面要使電堆內(nèi)化學反應(yīng)高效進行，電堆性能，另一方面又要確保質(zhì)子交換膜聚合物不出現(xiàn)熱分解的破壞，影響電堆安全。所以，電堆工作溫度須控制在70～80℃之間,這是燃料電池的工作溫度范圍。

2.2 均勻化電堆內(nèi)溫度

為了保證電堆工作性能，提高電堆各Cell反應(yīng)溫度一致性,從而使電堆內(nèi)不同位置的溫度分布均勻,一般地，要保證電堆冷卻水入口和出口溫差維持在10℃以內(nèi)。

2.3 控制電堆溫度上限

燃料電池發(fā)動機各個零部件,都必須在某個溫度限制以下才可以正常工作，尤其燃料電池反應(yīng)堆更需要控制溫度上限，如果電堆內(nèi)反應(yīng)溫度不平衡,當局部溫度過高時,對應(yīng)處的質(zhì)子交換膜將會出現(xiàn)微孔,氫氣流道內(nèi)的氫氣將由微孔進入空氣路與空氣混合，這將引起嚴重的安全事故。所以,該熱管理系統(tǒng)一定要實現(xiàn)自動調(diào)節(jié)和控制燃料電池發(fā)動機的冷卻水溫度。這樣，合理地選擇水泵、節(jié)溫器、傳感器、控制器等零部件搭建熱管理系統(tǒng)尤其重要。

3 燃料電池管理系統(tǒng)熱平衡計算

3.1 熱量的產(chǎn)生

燃料電池工作時,主要有以下幾方面熱量產(chǎn)生：化學反應(yīng)放熱、歐姆極化放熱、壓縮空氣帶入的熱量和環(huán)境輻射熱量。壓縮空氣帶入的熱量和環(huán)境輻射的熱量與化學反應(yīng)放熱和歐姆極化放熱相比,可忽略不計。因此,燃料電池產(chǎn)生的熱量主要為化學反應(yīng)熱與歐姆極化熱,兩者之和約等于氫氣和氧氣反應(yīng)產(chǎn)生的能量減去電堆輸出的電能。即

此式中Qgen為生成的余熱功率，Incell為電堆的瞬態(tài)輸出電流,Vcell為電堆的瞬態(tài)輸出電壓[4]。

3.2 燃料電池的散熱途徑及散熱量[5]

燃料電池余熱從電堆排出主要有三種途徑:燃料電池內(nèi)部生成的水汽化散熱、燃料電池熱輻射散熱、循環(huán)冷卻水帶走熱量。當然，燃料電池反應(yīng)氣體的進出會帶入和帶出一部分熱量,但由于進氣與出氣溫度相差不大,氣體比熱容較小,基本可以忽略不記。

（1）燃料電池內(nèi)部生成的水汽化散熱。

電堆排出的氣體包括未反應(yīng)的氫氣、空氣和水,但氫氣和空氣的比熱容較小,故其帶走的熱量可忽略,而排出的水為氣態(tài)水和液態(tài)水的混合物，一般地，液態(tài)的水大部分由陰極排出。所以,為了簡化模型,假設(shè)陰極水以飽和水蒸汽和液態(tài)兩種形式排出,而陽極水只有飽和水蒸汽排出。且全部汽化,由公式ΔQq=（m氧氣+m氫氣）×λ×k/3600，求得Qq=7.5 kW。但燃料電池反應(yīng)生成的水不能*為水蒸氣形式排出，部分會以液態(tài)水的形式從陰極流道中排出，再由管路排至車外。按公式估算，汽化散熱功率在3 kW以內(nèi)。

2）燃料電池電堆熱輻射散熱

式中δ為電堆黑度，σb為斯蒂芬-玻爾茲曼常數(shù)；Arad為電堆輻射面積；Tcell為電堆溫度；T0為環(huán)境溫度。帶入δ=0.8，σb=5.76×10-8W/(m2·K4)，Arad=0.682 m2，Tcell=75℃，T0=25℃，可得輻射熱為166.7 W。

3)循環(huán)冷卻水帶走熱量

其中：C為水的比熱，Nl為流道數(shù)量Aw為流道截面積；v為流速；ρ為水的密度，Tout為電堆出口溫度，Tin為電堆入口溫度。所以按公式計算，循環(huán)冷卻水帶走熱量為燃料電池主要散熱途徑。

3.3 燃料電池電堆的熱平衡

燃料電池在正常工作的時候,必須保持電池內(nèi)部的熱平衡，即產(chǎn)生的化學反應(yīng)熱與歐姆極化熱之和等于三種途徑散出熱量之和。其熱平衡可以描述為：Qgen=ΔQr+ΔQrad+ΔQq[5]，由上述分析得出循環(huán)冷卻水帶走熱量為燃料電池主要散熱途徑,約占90%以上,輻射散熱和水汽化散熱可忽略。故簡化模型為

4 燃料電池熱管理系統(tǒng)零部件選型

4.1 設(shè)計要求：

1）設(shè)計環(huán)境溫度：40℃

2）燃料電池發(fā)動機設(shè)計散熱量為57 kW，預(yù)留3 kW設(shè)計余量，即60 kW。燃料電池進出口水溫分別為70℃和80℃。

4.2 零部件選型

冷卻水泵

1）冷卻水泵結(jié)構(gòu)及功能描述

水泵是燃料電池冷卻系統(tǒng)的最為核心部件，其功能是在燃料電池不同的運行工況下，提供一定流量和壓力的冷卻循環(huán)水，以滿足電堆散熱要求。

2）冷卻水泵設(shè)計指標

冷卻水泵需能滿足如額定功率為60 kW的燃料電池發(fā)動機的散熱量，進堆壓力滿足電堆需求。

3）冷卻水泵性能指標

以電堆所要求的散熱量60 kW來進行冷卻水泵性能計算。

冷卻水泵流量應(yīng)為：

G=Q/(cΔt)=60×1000/(4.2×1000×10)=1.429 kg/s=86 L/min

當流量為86 L/min時，揚程需要約為20 m以滿足進堆壓力要求。

節(jié)溫器

1）節(jié)溫器結(jié)構(gòu)及功能描述

節(jié)溫器根據(jù)冷卻水溫度自動調(diào)節(jié)進入散熱器的水量，以保證燃料電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作，可起到節(jié)約能耗等作用（圖1）。

圖1 節(jié)溫器示意圖

2）節(jié)溫器性能指標

節(jié)溫器初開溫度為60℃，全開溫度為70℃。

去離子裝置

1）去離子器結(jié)構(gòu)及功能描述

去離子裝置是燃料電池熱管理系統(tǒng)中*的部件，由于燃料電池是發(fā)電裝置，其冷卻水也會將導(dǎo)電離子帶出，這將會產(chǎn)生冷卻液導(dǎo)電的危險。為了去除冷卻水中的導(dǎo)電離子，需在冷卻系統(tǒng)中安裝一個去離子裝置，將系統(tǒng)中離子濃度維持在一個較低水平，保證電絕緣。

2）去離子器的設(shè)計目標

要求在系統(tǒng)工作過程中，將冷卻系統(tǒng)介質(zhì)電導(dǎo)率降低至10.0 μS/cm以下。

本文選用的進口的去離子裝置，壽命高于同類產(chǎn)品，體積小、安裝簡單，運行溫度為90℃，工作壓力200 kPa，介質(zhì)電導(dǎo)率降低于5.0 μS/cm，離子交換容量200 mEq。

3）去離子器與冷卻系統(tǒng)集成

去離子器性能基本要求是當流量達到系統(tǒng)要求的86 L/min的時候，因去離子裝置的壓損太大，影響整個系統(tǒng)的工作，故一般設(shè)計與主冷卻水路并聯(lián)。

5 燃料電池熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

在冷卻液循環(huán)部分中,冷卻液由水箱通過冷卻水泵進入電堆,流出電堆后進入節(jié)溫器自動調(diào)節(jié)進入大循環(huán)和小循環(huán)的水流量。小循環(huán)即溫度不高時冷卻水由節(jié)溫器出口直接進入電堆，將電堆中氫氣和氧氣化學反應(yīng)的廢熱帶出，再次回到冷卻水泵入口，形成小循環(huán)；大循環(huán)即溫度較高時，冷卻水由節(jié)溫器出口進入前段散熱器，將較高的熱量由整車散熱器通過進氣格柵進風和散熱風扇抽風帶走，溫度降低的冷卻液再由散熱器出口進入電堆，將電堆內(nèi)容部反應(yīng)余熱排出后重新回到冷卻水泵入口，形成大循環(huán)。由于燃料電池運行溫度與環(huán)境溫度溫差較小,電流密度變化對電堆內(nèi)熱傳遞影響顯著,所以燃料電池發(fā)動機的熱管理是一項具有挑戰(zhàn)的難題[6-7]。

燃料電池發(fā)動機熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計主要包括散熱器、冷卻風扇、冷卻水泵、水箱、溫度傳感器、節(jié)溫器、去離子器、壓力傳感器等部件的設(shè)計。

在冷卻水循環(huán)部分中,冷卻水由水箱通過冷卻水泵進入電堆再出來回到冷卻水泵入口，此循環(huán)回路中,在電堆的循環(huán)冷卻液進出口處設(shè)置一個溫度傳感器,以監(jiān)測進出電堆的循環(huán)水溫度；同時在電堆進口處設(shè)置一個壓力傳感器，以此檢測冷卻液入堆的壓力。由于進入電堆的循環(huán)冷卻液要求有較小的電導(dǎo)率,因此循環(huán)水必須使用去離子水,所以要在電堆出口處設(shè)置一個去離子器，去離子裝置的壓損太大，影響整個系統(tǒng)的工作，故設(shè)計與主冷卻水路并聯(lián)。此外,本系統(tǒng)采用電堆水熱管理系統(tǒng)與暖風系統(tǒng)集成設(shè)計方案，在電堆冷卻水出口管路設(shè)計分支水路，連接暖風芯體、PTC加熱器、電動水泵，并由電磁三通閥控制進入分支水路的水量，有效利用電堆系統(tǒng)余熱，降低采暖能耗，提高燃料電池發(fā)動機效率。暖風系統(tǒng)具有電堆余熱采暖及電加熱器制熱雙模式，兼顧節(jié)能與乘員舒適性，使整車綜合性能*。同時電堆在冷啟動時，可與暖風系統(tǒng)共用加熱器，空間及成本更優(yōu)。電堆工作時,發(fā)動機控制器（ECU）根據(jù)溫度傳感器、壓力傳感器的上傳信號控制冷卻水泵的轉(zhuǎn)速和冷卻風扇的轉(zhuǎn)速,將循環(huán)水的進出口水溫控制在70℃～80℃范圍內(nèi)，來維持電堆內(nèi)部的熱平衡,使電堆穩(wěn)定運行。

根據(jù)50 kW燃料電池發(fā)動機的熱平衡計算要求，設(shè)計如圖2的結(jié)構(gòu)方案。

圖2 熱管理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)方案

根據(jù)電堆需求參數(shù)和冷卻液流量Q（86 L/min），選擇內(nèi)徑為32 mm的硅膠管路，根據(jù)計算公式

式中A=πr2，A為膠管截面積，r為膠管內(nèi)半徑，可以計算冷卻液流速，再通過流速計算冷卻管路中局部壓力損失，包括結(jié)構(gòu)阻力損失和彎頭阻力損失。再加上沿程所有零部件的阻力損失，計算得到的總壓損要小于冷卻水泵揚程。

6 結(jié)束語

本文介紹了燃料電池發(fā)動機熱管理技術(shù)，系統(tǒng)計算分析，零部件選型，以及重點介紹了發(fā)動機熱管理系統(tǒng)設(shè)計方案，由于燃料電池工作溫度與環(huán)境溫度相差不大，而且電堆通過熱輻射和對流散去的熱量又微乎其微，其大部分廢熱通過冷卻液循環(huán)排出，所以將電堆熱管理系統(tǒng)與暖風系統(tǒng)集成方案，提高能量利用效率，同時實現(xiàn)節(jié)省空間和降低成本。

作者：浦及秦曉津蘆巖王宇鵬丁天威趙子亮

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