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燃料電池熱管理系統設計及研究
更新日期：
2021-12-14
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【摘要】熱管理系統在燃料電池發動機開發中有著非常重要的作用。文章以50 kW燃料電池發動機為例，分析了燃料電池系統熱管理熱量排出方式及比例，闡述了熱管理系統冷卻液流量、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，同時介紹了關鍵零部件選型，系統結構設計以及優化和建議，為相關設計人員設計和選用水泵、去離子器、節溫器等主要部件提供了參考依據，研究結果對燃料電池汽車發動機熱管理系統設計具有重要參考價值。1 前言
影響燃料電池發動機性能的因素很多,其中溫度對電堆性能的影響很大。燃料電池發動機工作時電堆連續產生熱量,如果產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，提高質子交換膜上的質子傳遞速度，從而提高電化學反應速度,反應電流升高,電堆性能變好。但燃料電池反應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子交換膜的濕潤條件，所以溫度過高時，質子交換膜會產生脫水現象,電導率下降,電堆性能變差,另外，由于質子交換膜為聚合物電解質,當溫度接近100℃時,膜的強度將下降,如不及時降溫,膜會出現微孔通過微孔與空氣混合,影響運行安全。當電堆內部溫度過低時,催化劑活性下降，輸出電壓降低,電堆性能變差。因此,維持電堆內部正常電化學反應的工作溫度范圍應保持在70～80℃。燃料電池熱管理系統對燃料電池的性能、壽命和安全起著重要作用,所以一個有效的熱管理系統可以維持燃料電池在70～80℃之間安全、穩定、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動機及電堆內部流動，傳遞熱量，對氫氣與空氣的反應溫度進行控制,保持電堆內的熱平衡。
2 熱管理系統設計要求
在工程實際應用中,燃料電池的冷卻方式主要水冷。尤其燃料電池發動機大功率輸出時,電堆工作溫度與周圍環境溫度相差不大,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
通常電堆設定的單體(Cell)工作電壓為0.60～O.75 V,其能量轉化效率在50%～60%區間,其余能量為電化學反應放出的熱量，須由循環冷卻水將其帶出，才能維持電堆內部溫度的平衡。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,大多數設計為雙極板設置不同形狀的冷卻循環水流道，使相同溫度的冷卻水流經每片反應堆后，由同一出口流出，將反應多余熱量帶走,以保證各Cell的運行溫度穩定。對不同的車輛在不同的工況下運行時,燃料電池發動機熱管理系統要確保電堆在一個高效、安全的溫度范圍內工作,即一方面要使電堆內化學反應高效進行，電堆性能，另一方面又要確保質子交換膜聚合物不出現熱分解的破壞，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 均勻化電堆內溫度
為了保證電堆工作性能，提高電堆各Cell反應溫度一致性,從而使電堆內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。
2.3 控制電堆溫度上限
燃料電池發動機各個零部件,都必須在某個溫度限制以下才可以正常工作，尤其燃料電池反應堆更需要控制溫度上限，如果電堆內反應溫度不平衡,當局部溫度過高時,對應處的質子交換膜將會出現微孔,氫氣流道內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,該熱管理系統一定要實現自動調節和控制燃料電池發動機的冷卻水溫度。這樣，合理地選擇水泵、節溫器、傳感器、控制器等零部件搭建熱管理系統尤其重要。
3 燃料電池管理系統熱平衡計算
3.1 熱量的產生
燃料電池工作時,主要有以下幾方面熱量產生：化學反應放熱、歐姆極化放熱、壓縮空氣帶入的熱量和環境輻射熱量。壓縮空氣帶入的熱量和環境輻射的熱量與化學反應放熱和歐姆極化放熱相比,可忽略不計。因此,燃料電池產生的熱量主要為化學反應熱與歐姆極化熱,兩者之和約等于氫氣和氧氣反應產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為電堆的瞬態輸出電流,Vcell為電堆的瞬態輸出電壓[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:燃料電池內部生成的水汽化散熱、燃料電池熱輻射散熱、循環冷卻水帶走熱量。當然，燃料電池反應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。電堆排出的氣體包括未反應的氫氣、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,而排出的水為氣態水和液態水的混合物，一般地，液態的水大部分由陰極排出。所以,為了簡化模型,假設陰極水以飽和水蒸汽和液態兩種形式排出,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。但燃料電池反應生成的水不能*為水蒸氣形式排出，部分會以液態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。式中δ為電堆黑度，σb為斯蒂芬-玻爾茲曼常數；Arad為電堆輻射面積；Tcell為電堆溫度；T0為環境溫度。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。其中：C為水的比熱，Nl為流道數量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,必須保持電池內部的熱平衡，即產生的化學反應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零部件選型
4.1 設計要求：
2）燃料電池發動機設計散熱量為57 kW，預留3 kW設計余量，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
水泵是燃料電池冷卻系統的最為核心部件，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水，以滿足電堆散熱要求。冷卻水泵需能滿足如額定功率為60 kW的燃料電池發動機的散熱量，進堆壓力滿足電堆需求。以電堆所要求的散熱量60 kW來進行冷卻水泵性能計算。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。節溫器根據冷卻水溫度自動調節進入散熱器的水量，以保證燃料電池在合適的溫度范圍內工作，可起到節約能耗等作用（圖1）。去離子裝置是燃料電池熱管理系統中*的部件，由于燃料電池是發電裝置，其冷卻水也會將導電離子帶出，這將會產生冷卻液導電的危險。為了去除冷卻水中的導電離子，需在冷卻系統中安裝一個去離子裝置，將系統中離子濃度維持在一個較低水平，保證電絕緣。要求在系統工作過程中，將冷卻系統介質電導率降低至10.0 μS/cm以下。本文選用的進口的去離子裝置，壽命高于同類產品，體積小、安裝簡單，運行溫度為90℃，工作壓力200 kPa，介質電導率降低于5.0 μS/cm，離子交換容量200 mEq。去離子器性能基本要求是當流量達到系統要求的86 L/min的時候，因去離子裝置的壓損太大，影響整個系統的工作，故一般設計與主冷卻水路并聯。
5 燃料電池熱管理系統結構設計
在冷卻液循環部分中,冷卻液由水箱通過冷卻水泵進入電堆,流出電堆后進入節溫器自動調節進入大循環和小循環的水流量。小循環即溫度不高時冷卻水由節溫器出口直接進入電堆，將電堆中氫氣和氧氣化學反應的廢熱帶出，再次回到冷卻水泵入口，形成小循環；大循環即溫度較高時，冷卻水由節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，將電堆內容部反應余熱排出后重新回到冷卻水泵入口，形成大循環。由于燃料電池運行溫度與環境溫度溫差較小,電流密度變化對電堆內熱傳遞影響顯著,所以燃料電池發動機的熱管理是一項具有挑戰的難題[6-7]。燃料電池發動機熱管理系統結構設計主要包括散熱器、冷卻風扇、冷卻水泵、水箱、溫度傳感器、節溫器、去離子器、壓力傳感器等部件的設計。在冷卻水循環部分中,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，此循環回路中,在電堆的循環冷卻液進出口處設置一個溫度傳感器,以監測進出電堆的循環水溫度；同時在電堆進口處設置一個壓力傳感器，以此檢測冷卻液入堆的壓力。由于進入電堆的循環冷卻液要求有較小的電導率,因此循環水必須使用去離子水,所以要在電堆出口處設置一個去離子器，去離子裝置的壓損太大，影響整個系統的工作，故設計與主冷卻水路并聯。此外,本系統采用電堆水熱管理系統與暖風系統集成設計方案，在電堆冷卻水出口管路設計分支水路，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，有效利用電堆系統余熱，降低采暖能耗，提高燃料電池發動機效率。暖風系統具有電堆余熱采暖及電加熱器制熱雙模式，兼顧節能與乘員舒適性，使整車綜合性能*。同時電堆在冷啟動時，可與暖風系統共用加熱器，空間及成本更優。電堆工作時,發動機控制器（ECU）根據溫度傳感器、壓力傳感器的上傳信號控制冷卻水泵的轉速和冷卻風扇的轉速,將循環水的進出口水溫控制在70℃～80℃范圍內，來維持電堆內部的熱平衡,使電堆穩定運行。根據50 kW燃料電池發動機的熱平衡計算要求，設計如圖2的結構方案。根據電堆需求參數和冷卻液流量Q（86 L/min），選擇內徑為32 mm的硅膠管路，根據計算公式式中A=πr2，A為膠管截面積，r為膠管內半徑，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，包括結構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 結束語
本文介紹了燃料電池發動機熱管理技術，系統計算分析，零部件選型，以及重點介紹了發動機熱管理系統設計方案，由于燃料電池工作溫度與環境溫度相差不大，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排出，所以將電堆熱管理系統與暖風系統集成方案，提高能量利用效率，同時實現節省空間和降低成本。
作者：浦及 秦曉津 蘆巖 王宇鵬 丁天威 趙子亮
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