燃料電池汽車散熱器的換熱效率研究

曾輝杰，常國峰，倪淮生，俞嘉麟

(1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟大學汽車學院，上海 201804；3.上海燃料電池汽車動力系統有限公司，上海 201804)

燃料電池汽車散熱器的換熱效率研究

曾輝杰1,2，常國峰1,2，倪淮生1,3，俞嘉麟3

(1.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟大學汽車學院，上海 201804；3.上海燃料電池汽車動力系統有限公司，上海 201804)

質子交換膜燃料電池工作溫度低、熱負荷大，如何使熱管理系統在工作時充分發揮出其性能，是燃料電池熱管理工作的重點。根據燃料電池汽車的熱特性和工作工況，以燃料電池汽車熱管理系統散熱器的換熱效率為指標，通過小型風洞實驗，對燃料電池汽車散熱器的換熱效率影響因素進行研究。通過計算分析得到：在燃料電池汽車運行工況下，可通過調節工質的運行參數，提高散熱器的換熱效率。去離子水作為冷卻液的散熱器的效率要比采用其與乙二醇混合溶液作為冷卻液的散熱器的換熱效率高；散熱器換熱效率隨冷卻液流量的增加而逐漸增大，但是冷卻液流量越大，換熱效率增加的幅度逐漸減小；散熱器換熱效率隨空氣流速的增加而減小，空氣流速越大，換熱效率減小的幅度越小；散熱器換熱效率隨空氣側(冷流體側)入口溫度的減小而降低。

燃料電池；散熱器；換熱效率；風洞實驗

質子交換膜燃料電池工作溫度低，冷卻液與環境溫差小，若用傳統車用散熱模塊，其體積為傳統汽車散熱模塊的2～3倍，無法滿足燃料電池車總布置設計的要求。很多國內外的學者都在進行燃料電池熱管理的研究。Yangjun Zhang等[1]建立質子交換膜燃料電池熱管理系統模型，以確定熱管理系統的基本熱物理行為，并對燃料電池輸出功率、冷卻液流量、空氣流量和環境溫度等系統參數進行研究。Pukrushpan[2]給出了質子交換膜燃料電池電堆系統的建模，建立了適合于控制的PEMFC電堆系統動態模型。Moo-Yeon Lee等[3]研究了用R744取代R-134a對燃料電池汽車空調系統性能的影響。

燃料電池熱管理系統設計中，散熱器的換熱效率作為衡量散熱器運行效率的重要參數，歷來為研究者所重視。換熱效率的高低表征著同等邊界條件下傳熱效率的高低，對降低燃料電池輔助系統功耗，提高燃料電池輸出功率及熱管理系統的優化控制起著重要的作用。

1 換熱效率對燃料電池熱管理的意義

換熱效率表示換熱器的實際換熱效果與最大可能的換熱效果之比。換熱效率計算公式：

表1所示為某燃料電池汽車熱管理系統中，散熱器運行時的換熱效率。提高燃料電池熱管理系統散熱器的換熱效率，可以降低燃料電池輔助系統功耗，提高燃料電池續駛里程；同時可增加燃料電池的輸出功率，提高整車的動力性。從表1中可以看出，目前其換熱效率由于運行工況的不同在49%～57%之間變化。這表明，換熱效率還有較大的提升空間，同時可以通過優化運行工況，提高換熱效率。

表1 不同工況時燃料電池熱管理系統換熱效率

換熱效率是散熱器性能的體現。高的換熱效率意味著散熱器能更好地發揮出其性能，在相同體積時能傳遞出更多的熱量。研究燃料電池汽車運行工況下的散熱器換熱效率影響因素，這對于冷卻液與環境溫差小，熱負荷大的燃料電池汽車來說，是有意義的。

表3 部分實驗結果

圖1 散熱器風洞實驗

2 實驗

利用散熱器小型風洞實驗結果，計算燃料電池散熱器在不同工況下的換熱效率，通過散熱器測試平臺，依據燃料電池系統的運行工況，設定相應的實驗工況。同時，通過風洞測試平臺上的傳感器，測試散熱器冷卻液出入口溫度、冷卻液流量、空氣流速、空氣溫度等參數，用于計算換熱效率。

2.1 實驗工況

考慮燃料電池汽車熱管理系統中零部件較多，燃料電池本體散熱量大，以及各散熱部件之間的溫度匹配，將燃料電池汽車的熱管系統分為三個子部分：燃料電池熱管理、動力系統平臺(包含電機、PCU、DC/DC等)熱管理、空調系統。本文分別對燃料電池熱管理系統散熱器，以及燃料電池和動力系統平臺熱管理系統散熱總成進行實驗。實驗工況考慮燃料電池工作溫度低的特點結合車用工況進行設定，如表2所示。

表2 實驗工況

如圖1所示，散熱器位于風洞進風口，采用膠合板、硅膠等進行密封，在散熱器前段1 m處置環境溫度采集儀，將所采集空氣送入溫度傳感器，所測得的溫度即是散熱器空氣入口側的溫度。冷卻液進出口均有溫度傳感器測量冷卻液進出溫度，并通過內部調控使每個工況點冷卻液的進口維持恒定。

2.2 實驗結果

依據表2中所示的工況進行實驗，部分實驗結果如表3所示。通過實驗所提供的數據，就可以計算不同工況下的散熱器的換熱效率。

3 不同工況時換熱效率對比

3.1 不同冷卻液時換熱效率對比

圖2 不同冷卻液時換熱效率

質子交換膜燃料電池對于冷卻液的電導率有著嚴格的要求。如果冷卻液中離子含量高，則電導率會升高，燃料電池的冷卻液流經的管道內會發生輕微的電解反應，產生氫氣和氧氣的混合氣體，這在質子交換膜燃料電池內部將會影響PEMFC發動機系統的安全運行。因此，常使用去離子水作為其冷卻液[6]。

但為了使冷卻液在低工作溫度(例如－10℃)下不結冰，減少對燃料電池的傷害，實現燃料電池汽車的快速冷啟動，常使用去離子水與乙二醇1∶1混合溶液作為冷卻液。但使用混合溶液時，由于乙二醇的比熱容小，導致冷卻液的比熱容比去離子水的低，為達到同樣的熱交換量，循環量必須要增大；同時，若冷卻液被金屬離子污染，那么去除金屬離子的難度遠高于去除純水中的金屬離子。

圖2是在相同空氣流速和冷卻液流速，冷卻液分別為去離子水和混合溶液時，散熱器的換熱效率。從圖2可以看出，在相同工況下，采用去離子水作為冷卻液散熱器的換熱效率要比采用去離子水和乙二醇混合溶液作為冷卻液的散熱器換熱效率要高。去離子水的比熱容為4.184 kJ/(kg·K)，而混合溶液的比熱容為3.435 kJ/(kg·K)[7]，比熱容的不同是其換熱效率差距的主要原因。在相同工況下，同一散熱器使用兩種不同冷卻液時，采用去離子水的散熱器所散發出的熱量要多。

3.2 不同冷卻液流量時換熱效率對比

冷卻液流量對燃料電池汽車的熱管理系統有較大影響，在其他條件不變時，增加冷卻液流量能增加系統的散熱量。但冷卻液流量的增加，會增加水泵的功耗。

在不同冷卻液流量時換熱效率如圖3所示。從圖3可以看出，隨著冷卻液流量的增加，散熱器換熱效率逐漸增加，但是冷卻液流量越大，換熱效率增加的幅度逐漸減小。

圖3 不同冷卻液流量時換熱效率

3.3 空氣流速對換熱效率的影響

對散熱器而言，其主要熱阻是空氣側熱阻，因此，空氣流速對燃料電池汽車的熱管理系統有較大影響，增加空氣側流速能提高熱管理系統的散熱能力。

空氣流速對散熱器換熱效率的影響如圖4所示。從圖4中可以看出，散熱器換熱效率隨空氣流速的增加而減小，空氣流速越大，換熱效率減小的幅度越小。

圖4 不同空氣流速時換熱效率

空氣流速對散熱器性能具有雙重影響：一方面，空氣流速的增加能大幅度提高散熱器的散熱量；但另一方面，空氣流速的增加會使散熱器換熱效率減小。散熱器空氣流速受車速和散熱風扇的雙重作用，采用功率更大的風扇可以增加空氣流速，以增加散熱器的散熱量，但與此同時，散熱器換熱效率降低，熱管理系統功耗增加，燃料電池發動機凈輸出功率減小，系統效率降低。

3.4 空氣入口溫度對換熱效率的影響

空氣側(冷流體側)入口溫度對散熱器散熱量有很大影響，較大冷熱流體之間的溫差意味著更大的散熱量。空氣側入口溫度對散熱器換熱效率的影響如圖5所示。從圖5中可以看出，空氣側入口溫度高時，散熱器換熱效率更大。

圖5 不同空氣入口溫度時換熱效率

空氣側(冷流體側)入口溫度對散熱器性能具有雙重影響：一方面，空氣側入口溫度減小使得冷熱流體的溫差增大，提高散熱器的散熱量；但另一方面，空氣側入口溫度減小會使散熱器換熱效率減小。

4 結論

(1)換熱效率是表征燃料電池熱管理系統的重要參數。在燃料電池運行中，可通過合理調節工質參數，提高散熱器的換熱效率，降低燃料電池輔助系統功耗，提高燃料電池續駛里程；同時可增加燃料電池的輸出功率，提高整車的動力性。

(2)去離子水作為冷卻液的散熱器的效率要比采用去離子水和乙二醇混合溶液作為冷卻液的散熱器的換熱效率要高。為提高熱管理系統的性能，在環境溫度較高時，應采用去離子水作為冷卻液；在環境溫度較低(0℃以下)時，使用去離子水和乙二醇混合溶液作為冷卻液。

(3)散熱器換熱效率隨冷卻液流量的增加而逐漸增大，但是冷卻液流量越大，換熱效率增加的幅度逐漸減小。

(4)散熱器換熱效率隨空氣流速的增加而減小，空氣流速越大，換熱效率減小的幅度越小。

(5)散熱器換熱效率隨空氣側(冷流體側)入口溫度的減小而減小，但空氣側入口溫度減小使得冷熱流體的溫差增大，可以提高散熱器的散熱量。

[1]ZHANG Y J,OUYANG M G,LU Q C,et al.A model predicting performance of proton exchange membrane fuel cell stack thermal systems[J].Applied Thermal Engineering,2004(24):501-513.

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[5]楊世銘，陶文銓.傳熱學[M].4版.北京：高等教育出版社，2006: 486.

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[7]ASHRAE.ASHRAE Handbook:Heating,ventilating,and air-conditioning systems and equipment[M].RI：American Society of Heating,Refrigerating and Air Conditioning Engineers,2005.

Heat exchange efficiencies of fuel cell vehicle radiator

ZENG Hui-jie1,2,CHANG Guo-feng1,2,NI Huai-sheng1,3,YU Jia-lin3

The working temperature of PEMFC was low,and the heat load was heavy.The most important part of fuel cell thermal management system was how to make the thermal management system work efficiently.The thermal characteristics and work station of fuel cell were considered.The radiator heat exchange efficiency was regarded as an index.An experiment of mini-wind tunnel was taken.The influence parameters of heat exchange efficiency were investigated.The calculation result shows that the heat exchange efficiency can be improved by adjusting the operating conditions.The heat exchange efficiency of radiator with the coolant of deionized water was higher than radiator with the coolant of ethylene glycol solvent.Heat exchange efficiency was gradually increasing with the increase of the coolant flow rate,but the extent was gradually reduced with the increasing of the heat exchange efficiency;it was gradually decreasing with the increase of air velocities and with the decrease of air inlet temperatures.

fuel cell;radiator;heat exchange efficiency;wind tunnel test

TM 911

A

1002-087 X(2014)02-0255-04

2013-06-16

國家“863”高科技資助項目(2011AA11A265)

曾輝杰(1988—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向為新能源動力系統。

常國峰，E-mail:changguofeng@tongji.edu.cn