燃料電池汽車散熱系統的設計

王商商 袁世豪 張旭

摘要：燃料電池汽車因為其自身特性的原因，在散熱上同傳統內燃機汽車相比面臨著更嚴峻的問題，散熱器的散熱可以考慮通過加大風扇的功率、增加散熱器的面積以及改變散熱器的布置位置來實現。

關鍵詞：燃料電池;汽車散熱系統;設計與運用

1燃料電池的原理

隨著燃料電池技術的不斷成熟，燃料電池性能的逐漸提高，燃料電池所提供的功率比例越來越大，這樣就可以減少電池的容量，從而減輕車重、提高動力性等。但為了回收制動能量，還需要一定數量的電池，而電池只捉供整車所需功率中很小的一部分。燃料電池作為主動力源，電池作為輔助動力源，車輛需要的功率主要由燃料電池提供，電池只是在燃料電池啟動、汽車爬坡和加速時提供功率，在汽車制動時回收制動能量。采用這種混合驅動型式的汽車即為功率混合型燃料電池汽車。由于鎳一氫電池或鋰離子電池比能量及比功率較高，從而可以減少電池組的體積和重量，現在越來越多地被用作燃料電池混合動力汽車的電池。燃料電池汽車散熱面臨的困難質子交換膜燃料電池中質子交換膜是核心部件，其性能的好壞直接影響到電池的性能和壽命。在燃料電池中由于其內部的不可逆性，50%左右的能量耗散為熱量，這一部分熱量使電池溫度上升，質子交換膜脫水、收縮甚至破裂導致電池的性能下降，影響電池的壽命，其理想的運行溫度大約在65℃左右。

2燃料電池中的熱量來源

單獨的燃料電池堆是不能發電并應用于汽車的，它必須和燃料供給與循環系統、氧化劑供給系統、水/熱管理系統和一個能使上述各系統協調工作的控制系統組成燃料電池發電系統，簡稱燃料電池系統，才能對外輸出功率。目前最成熟的技術還是以純氫為燃料，而且系統結構相對簡單，僅由氫源、穩壓閥和循環回路組成。（1）由于電池的不可逆性而產生的化學反應熱;（2）由于歐姆極化而產生的焦耳熱;（3）加濕氣體帶入的熱量;（4）吸收環境輻射熱量。其中，由于電池的不可逆性產生的廢熱占到轉化的化學能的50%甚至更多。電池排出的尾氣、電池堆的輻射和循環水可以從電池堆中帶走熱量。由于排氣溫度只能在70℃左右，因此通過排氣的散熱遠遠不能同傳統內燃機在幾百度的排氣溫度下所能達到的效果相比，實際計算表明燃料電池的排氣散熱只占總散熱量的3%～5%左右。對于輻射散熱，不管是燃料電池發動機還是內燃機，只占很小一部分，而對于燃料電池發動機而言，輻射散熱大約占1%左右。因此，大約有95%的熱量需要通過冷卻水來帶走，而對于發動機而言這個數值只有50%左右，由此可見燃料電池發動機的散熱量相對較高。

燃料電池發動機的冷卻水是工作在環境溫度和電池的工作溫度之間，這個溫差明顯要小于內燃機冷卻水工作的溫差，相差大約30℃，可見燃料電池散熱器的散熱更為艱難。燃料電池汽車的散熱解決方案散熱器的散熱同其散熱面積、風速、進出口水溫差、空氣側與水側的溫差成正比，在進出口溫差不變的情況下，若要使散熱量增大則需要通過下面的途徑來達到。增大進氣風速在其他外在條件不變的情況下，想要增大風速就需要增大風扇的功率，同時為了布置方便，改進功率后風扇的體積不能太大。根據設計計算和試驗研究，選用了兩個各為800W，共1.6kW的風扇，較好地解決了散熱問題，但這樣帶來的問題是附屬設施功耗的增加。增大散熱面積為了增大散熱面積，需要更大的散熱器，這同樣帶來了一個散熱器的布置問題。汽車的前艙空間比較緊湊，增大散熱器面積在汽車前艙的布置中將會非常困難。某型燃料電池汽車采用了散熱器分開布置的方式。它采用兩個散熱器依次布置在進氣隔柵后面;同時考慮到若將冷凝器布置在散熱器后面將遇到空間不足的問題，空氣在經過散熱器后已經有很大的溫升，此時作為冷凝器的進氣已經不太適合，所以將冷凝器布置在側面。

采用分塊布置的方式可以有效解決單塊大散熱器不易布置的問題，但是同樣也面臨著布置這些散熱器所面臨的空間不足以及進氣口處理的問題，這需要在車身的形狀上進行相關改動以進行配合。改變散熱器的位置若將冷凝器置于散熱器之前，空氣在經過冷凝器之后將會產生一定的溫升，這樣將使進入散熱器的空氣溫度同冷卻水溫度之間的差距進一步縮小，導致了換熱更加困難。除了上述方案也可以采用，將冷凝器置于散熱器之后，優先考慮到電池堆的散熱，采用兩個冷凝器散熱的方式，這樣將有效地降低散熱器氣側的溫度，有利于電池堆的散熱，同時兩個冷凝器也能夠滿足空調換熱的需要。對于汽車而言，燃料電池是一種將燃料和氧化劑的化學能通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。這種裝置的最大特點是：反應過程中不涉及燃燒，因此其能量轉換效率不受卡諾循環的限制，理想能量轉換效率高達80%以上，實際使用效率則是普通內燃機的2～3倍。燃料電池是電學反應系統，主要產生電能，并把氫氣和氧氣轉化成水。內燃機則主要產生熱能，只有一小部分變成有用的機械功，而且燃燒尾氣成分復雜，包括未反應的有機物，燃料電池的高效表明，同樣使用化石燃料，取得單位有用功所排放的污染氣體，燃料電池系統比熱機系統要低。用化石燃料如煤、石油、天然氣發電，電解水產生氫氣做燃料電池的燃料，這種途徑也能減少二氧化碳的總排放量。如使用水電、核電、風電和太陽能發電，則不存在污染空氣的問題。總而言之，燃料電池動力交通工具，對環境的意義是明顯的，因為燃料電池幾乎沒有NCXSX和粉塵排放。

3結束語

燃料電池汽車以其眾多優點代表了未來汽車的發展方向，但仍然面臨著諸多困難，其工作特性決定了燃料電池發動機的散熱要比傳統內燃機汽車更為困難。為了解決這個問題，我們可以考慮下面3個方案：大功率的風扇;增大散熱面積;散熱器位置的改變。相信隨著對燃料電池工作溫度范圍窄等缺點。使用超級電容作為輔助動力源可以緩解加速、爬坡時對動力電池的大電流沖擊，并能及時回收制動時的能量，可以大電流充放電，且循環壽命長，因此超級電容將成為以后燃料電池動力系統的一種方案。

參考文獻

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