車載燃料電池散熱部件排布方式熱管理研究

賈秋紅,朱 靈,崔垚鵬,楊孝才

(1.重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院,重慶 400054;2.中國(guó)汽車工程研究院股份有限公司,重慶 401122)

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有效率高、噪音低、零碳排等特點(diǎn),被視為交通、發(fā)電、無人機(jī)等領(lǐng)域中能源動(dòng)力模塊的未來最佳發(fā)展方向[1-2]。近年來,國(guó)內(nèi)各大整車生產(chǎn)企業(yè)如東風(fēng)、一汽豐田、吉利、上汽紅巖、宇通等都各自推出旗下搭載PEMFC的汽車。鴻力氫動(dòng)、億華通、東方電氣、上海捷氫等主打PEMFC生產(chǎn)的公司紛紛成立,PEMFC發(fā)展備受重視。PEMFC的工作原理為電解水逆反應(yīng),工作溫度一般在60～80 ℃,在反應(yīng)過程中有50%左右的能量會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能[3]。如果這部分熱能無法及時(shí)排出,將導(dǎo)致電池內(nèi)部溫度升高,造成膜穿孔或者催化劑降解,對(duì)PEMFC造成不可逆的傷害,嚴(yán)重影響其性能。

目前,國(guó)內(nèi)外主要是通過建立模型并結(jié)合試驗(yàn)對(duì)車載PEMFC熱管理進(jìn)行研究。Wang等[4]對(duì)100 kW車載PEMFC建立熱管理模型,研究冷卻液流動(dòng)順序?yàn)樯崞鞯嚼鋮s水箱情況下不同環(huán)境溫度對(duì)冷卻液進(jìn)出口溫度的影響。Li等[5]建立PEMFC熱管理系統(tǒng)模型,研究冷卻液流動(dòng)順序是由冷卻水箱到散熱器時(shí),冷卻水泵與散熱器之間的冷卻協(xié)調(diào)能力問題。程子楓等[6]分別建立節(jié)溫器以 “一進(jìn)兩出”與“兩進(jìn)一出”兩種形式對(duì)PEMFC熱管理系統(tǒng)研究,結(jié)果表明在功率變化情況下,“兩進(jìn)一出”的布置形式更為合理。Xu等[7]基于車載PEMFC熱管理系統(tǒng)部件之間傳熱相關(guān)特性建立模型,開發(fā)車輛綜合熱管理系統(tǒng),并選取車輛相關(guān)的3種穩(wěn)態(tài)工況和2種穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行模擬。上述研究主要集中在建立模型并研究熱管理系統(tǒng)部件對(duì)其內(nèi)部溫度的影響,對(duì)實(shí)際情況下環(huán)境溫度變化對(duì)車載PEMFC散熱效果的影響未見相關(guān)成果。目前,車載PEMFC一般通過水冷的方式對(duì)內(nèi)部進(jìn)行熱量轉(zhuǎn)移,熱管理系統(tǒng)部件排布順序能夠直接影響冷卻液進(jìn)出口溫度,進(jìn)而對(duì)PEMFC工作穩(wěn)定性以及輸出電壓造成影響。在上述研究中,關(guān)于散熱器與冷卻水箱在內(nèi)的主要熱管理系統(tǒng)部件的布置形式對(duì)內(nèi)部溫度影響以及輸出研究成果較少。

本文就2種較為極端的環(huán)境溫度變化,針對(duì)車載PEMFC在散熱器與冷卻水箱的不同排布順序,在2種不同工況運(yùn)行過程中,研究冷卻液進(jìn)口溫度、冷卻液出口溫度、冷卻液進(jìn)出口溫差、輸出電壓,為后續(xù)車載PEMFC設(shè)計(jì)與研究提供依據(jù)。

1 車載PEMFC冷卻系統(tǒng)分析

車載PEMFC熱管理系統(tǒng)主要由冷卻液水箱、散熱器、冷卻液循環(huán)泵等部件組成,其作用是調(diào)節(jié)PEMFC內(nèi)部溫度[8]。PEMFC內(nèi)部反應(yīng)為化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能與熱能,PEMFC熱管理系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)移其內(nèi)部反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱量,維持內(nèi)部溫度在合理范圍。

PEMFC反應(yīng)過程中大部分熱量由熱管理系統(tǒng)轉(zhuǎn)移,少部分熱量由尾排與環(huán)境熱輻射2種方式直接釋放[9]。現(xiàn)階段,車載PEMFC熱管理系統(tǒng)冷卻過程一般是冷卻液在循環(huán)泵的動(dòng)力作用下進(jìn)入PEMFC中,吸收PEMFC內(nèi)部多余熱量并轉(zhuǎn)移至散熱器中,通過冷卻風(fēng)扇將熱量散發(fā)至外部環(huán)境中。在此周而復(fù)始的過程中,冷卻液進(jìn)出口溫度直接決定內(nèi)部溫度,而冷卻液進(jìn)出口溫度主要由散熱器與冷卻液水箱的相關(guān)參數(shù)、環(huán)境溫度決定。

2 車載PEMFC熱管理系統(tǒng)建模

根據(jù)如圖1所示的熱管理系統(tǒng)工作原理建立集總參數(shù)動(dòng)態(tài)模型,包括PEMFC電壓模型、溫度模型及冷卻組件熱管理模型等。研究車載PEMFC變載工況運(yùn)行過程中,不同環(huán)境溫度下熱管理系統(tǒng)部件布置形式對(duì)PEMFC的影響。

圖1 車載PEMFC熱管理系統(tǒng)示意圖

2.1 PEMFC電壓模型

根據(jù)吉布斯自由能變化過程特征,并結(jié)合能斯特方程求得能斯特電壓Enernst。實(shí)際輸出電壓Vcell會(huì)受到包括活化過電壓Vact,歐姆過電壓Vohm,濃差過電壓Vcon3種極化電壓的影響[10],通常會(huì)低于能斯特電壓。由此可得,單電池實(shí)際輸出電壓為

Vcell=Enernst-Vact-Vohm-Vcon

(1)

能斯特電壓可表示為

Enernst=1.229-(8.5×10-4)×(Tst-298.15)+

4.308 5×10-5Tst(lnPH2,an+0.5lnPO2,ca)

(2)

式中：Tst為PEMFC溫度;PH2,an為陽極氫氣分壓;PO2,ca為陰極氧氣分壓。

活化過電壓Vact又稱為電化學(xué)極化,根據(jù)塔菲爾電化學(xué)方程以及亨利定律,可得其表達(dá)式為

Vact=ξ1+δTst+ξ3TstlnIst+ξ4TstlnCO2

(3)

δ=ξ2+2×10-4lnAcell+4.3×10-5lnCH2

(4)

CO2=1.97×10-7×PO2,ca×exp(498/Tst)

(5)

CH2=9.17×10-7×PH2,an×exp(-77/Tst)

(6)

式中：ξj(j=1,2,3,4)為半經(jīng)驗(yàn)系數(shù);Ist為PEMFC電流;Acell為質(zhì)子交換膜的有效活化面積;CO2為陰極氧氣濃度;CH2為陽極氫氣濃度。

歐姆過電壓Vohm可表示為

(7)

式中：ρ為膜導(dǎo)電率,可由式(8)計(jì)算得到。

ρ=(5.14×10-6σ-3.26×10-5)×

exp[θ(1/303-1/Tst)]

(8)

式中：σ為膜含水量;l為PEMFC質(zhì)子交換膜厚度;θ為經(jīng)驗(yàn)常數(shù)。

濃差過電壓Vcon由經(jīng)驗(yàn)公式表達(dá)

Vcon=-0.016ln(i/imax)

(9)

式中：i為電流密度,i=Ist/Acell;imax為最大電流密度。

為了提高電池輸出電壓,一般由n片單電池串聯(lián)組成PEMFC使用,PEMFC輸出功率為

Pst=nVcellIst

(10)

2.2 PEMFC溫度模型

在車載PEMFC內(nèi)部反應(yīng)過程中轉(zhuǎn)化為熱量的部分能量中,95%左右需要通過冷卻液強(qiáng)制冷卻的方式轉(zhuǎn)移至外部環(huán)境中,5%左右以尾氣排放與對(duì)外熱輻射的方式轉(zhuǎn)移。PEMFC陰極輸入氣體一般為空氣(O2、N2分別約占21%和79%)以及少量氣態(tài)水,忽略其他成分;假設(shè)陽極輸入為純凈氫氣并完全反應(yīng)。根據(jù)熱力學(xué)第一定律可以得到PEMFC熱力學(xué)平衡方程為[11]：

(11)

式中：mst為系統(tǒng)質(zhì)量;cp,st為系統(tǒng)比熱容;Qtot為反應(yīng)氣體總功率;Qout為尾氣轉(zhuǎn)移熱功率;Qamb為對(duì)外熱輻射功率;Qcool為強(qiáng)制冷卻轉(zhuǎn)移的熱功率。

反應(yīng)氣體總功率等于氫氣焓變?chǔ)與單位時(shí)間氫氣消耗速率Nan,H2,react之積：

Qtot=ΔH×Nan,H2,react

(12)

尾排中,一般包括未參與反應(yīng)的氣體與生成的水,尾排轉(zhuǎn)移熱功率可描述為

Qout=(Nan,H2O,outcp,H2O,g+Nca,O2,outcp,O2+

Nca,N2,outcp,N2+Nca,H2O,outcp,H2O,g+

Nca,H2O,lcp,H2O,l)(Tst-To)

(13)

式中：Nan,H2O,out與Nca,H2O,out分別為單位時(shí)間陽極與陰極氣態(tài)水排放量;Nca,O2,out與Nca,N2,out分別為單位時(shí)間陰極氧氣與氮?dú)馀欧帕?Nca,H2O,l為單位時(shí)間陽極液態(tài)水排放量;cp,H2O,g為氣態(tài)水摩爾比熱容;cp,O2為氧氣比熱容;cp,N2為氮?dú)獗葻崛?cp,H2O,l為液態(tài)水摩爾比熱容。

PEMFC內(nèi)部溫度一般高于環(huán)境溫度,根據(jù)熱力學(xué)第二定律,PEMFC對(duì)外部環(huán)境進(jìn)行熱量傳遞,該過程可表示為

Qamb=(Tst-Tamb)/Rt

(14)

式中：Tamb為環(huán)境溫度;Rt為系統(tǒng)熱阻。

經(jīng)過冷卻液強(qiáng)制冷卻轉(zhuǎn)移熱功率一般可表示為

Qcool=Wclcp,H2O,l×(Tst-Tst,cl,in)

(15)

式中：Wcl為冷卻液流量;Tst,cl,in為PEMFC冷卻液入口溫度。

2.3 冷卻組件熱管理模型

2.3.1循環(huán)泵模型

車載PEMFC熱管理系統(tǒng)冷卻液循環(huán)泵的主要作用是為冷卻液循環(huán)提供動(dòng)力。循環(huán)泵的主要?jiǎng)恿碓礊轵?qū)動(dòng)電機(jī),由于車載PEMFC冷卻液循環(huán)泵一般工作時(shí)間較長(zhǎng),所以通常忽略其瞬態(tài)特性,僅對(duì)其穩(wěn)態(tài)輸入輸出進(jìn)行分析建模：

(16)

式中：km為循環(huán)泵轉(zhuǎn)速-流量系數(shù);kt為電機(jī)轉(zhuǎn)矩常數(shù);kf為摩擦因數(shù);Rcl為電機(jī)繞組電阻。

2.3.2冷卻水箱模型

車載PEMFC熱管理系統(tǒng)冷卻水箱的主要作用是儲(chǔ)存和補(bǔ)充冷卻液,穩(wěn)定熱管理系統(tǒng)內(nèi)部壓力和冷卻液溫度[12]。冷卻液流經(jīng)冷卻水箱,先后與箱內(nèi)冷卻液與外部環(huán)境進(jìn)行熱交換[13],可表示為

(17)

krv(Trv,cl,out-Tamb)

(18)

式中：mrv為冷卻水箱質(zhì)量;mrv,w為冷卻水箱內(nèi)冷卻液質(zhì)量;cp,rv為水箱材料比熱容;cH2O,l為每千克去離子水比熱容;Tin,cl為流入冷卻水箱冷卻液溫度;Trv,cl,in為冷卻水箱內(nèi)部冷卻液溫度;Trv,cl,out為冷卻水箱流出冷卻液溫度;krv為冷卻水箱自然對(duì)流換熱系數(shù)。

2.3.3散熱器模型

現(xiàn)階段,車載散熱器主要通過內(nèi)部冷卻風(fēng)扇使空氣強(qiáng)制對(duì)流為冷卻液降溫,維持冷卻液進(jìn)入PEMFC時(shí)的溫度穩(wěn)定性表達(dá)式為：

Waircair,g(Tra,air-Tamb)

(19)

式中：mra為散熱器內(nèi)冷卻液質(zhì)量;cair,g為每千克空氣比熱容;Tra,cl,IN為散熱器冷卻液流入溫度;Tra,cl為散熱器冷卻液流出溫度;Tra,air為散熱器冷卻空氣出口處溫度;Wair為冷卻空氣流量。

根據(jù)上述公式在Matlab/Simulink仿真平臺(tái)建立如圖2所示的車載PEMFC熱管理系統(tǒng)集總參數(shù)動(dòng)態(tài)模型。

圖2 車載PEMFC熱管理系統(tǒng)模型示意圖

2.4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

車載PEMFC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)以及相關(guān)參數(shù)如圖3與表1所示。

圖3 車載PEMFC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

表1 PEMFC相關(guān)參數(shù)

圖3所示的車載PEMFC實(shí)驗(yàn)樣機(jī)主要包括：銳格新能源科技有限公司FCE-100A型號(hào)測(cè)試臺(tái)架并配套上位機(jī),智恩測(cè)試技術(shù)有限公司N52150回饋式電子負(fù)載等實(shí)驗(yàn)設(shè)備。驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)采取輸入不同電流的方式進(jìn)行,設(shè)置上位機(jī)每0.2 s分別采集1次PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫度與流量,PEMFC負(fù)載電壓與功率,PEMFC陰陽極進(jìn)氣壓力、流量、溫度等數(shù)據(jù)。一般將PEMFC冷卻液出口溫度看作PEMFC溫度[14]。

在驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)中,為獲得較為明確的驗(yàn)證效果,每間隔50 s選取PEMFC負(fù)載功率、冷卻液流量、溫度等對(duì)應(yīng)數(shù)據(jù),并與仿真結(jié)果進(jìn)行對(duì)比,其結(jié)果如圖4所示。

分析仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn),PEMFC溫度最大誤差為0.61%,PEMFC功率最大誤差為4.16%,冷卻液流量最大誤差為6.25%,誤差在允許范圍,說明本文所建立的模型正確,能用于后續(xù)研究。

圖4 PEMFC功率、溫度及冷卻液流量響應(yīng)曲線

3 CHTC變載工況分析

3.1 車載PEMFC預(yù)設(shè)目標(biāo)車輛

研究對(duì)象為燃料電池城市客車與燃料電池普通客車所用車載PEMFC。根據(jù)市場(chǎng)定位及設(shè)計(jì)要求,2種設(shè)計(jì)車型相關(guān)參數(shù)如表2所示。

表2 2種車型相關(guān)參數(shù)

3.2 CHTC工況及車載PEMFC對(duì)應(yīng)負(fù)載功率分析

車輛行駛過程中,車載PEMFC負(fù)載功率Pw主要包括牽引功率、功率損失、整車溫度控制3個(gè)部分,本文研究主要集中在前二者。功率損失主要體現(xiàn)在2個(gè)方面：車載PEMFC系統(tǒng)內(nèi)部,包括燃料電池系統(tǒng)、DC/DC變換器、驅(qū)動(dòng)電機(jī);車輛底盤傳動(dòng)系統(tǒng)。

汽車行駛速度v與牽引功率Pt的關(guān)系為：

Pt=(mgfcosα+0.5τCDAv2+ma+mgsinα)

(20)

式中：m為整車質(zhì)量;g為重力加速度;f為車輪滾動(dòng)阻力系數(shù);α為道路坡度;τ為空氣密度;CD為空氣阻力系數(shù);A為迎風(fēng)面積;a為行駛加速度。

參考中國(guó)工業(yè)和信息化部對(duì)汽車在中國(guó)實(shí)際運(yùn)行路況行駛的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn),中國(guó)城市客車行駛工況(CHTC-B)分為低速與高速2個(gè)速度區(qū)間,中國(guó)普通客車行駛工況(CHTC-C)分為市區(qū)、城郊與高速3個(gè)速度區(qū)間。

圖5所示,CHTC-B速度分布較為均勻,對(duì)應(yīng)車載PEMFC負(fù)載功率變化較為平緩;圖6所示,CHTC-C前后部分有明顯速度變化,對(duì)應(yīng)車載PEMFC負(fù)載功率出現(xiàn)較大的數(shù)據(jù)波動(dòng)。對(duì)2種工況進(jìn)行模擬實(shí)驗(yàn),結(jié)果能夠有效說明不同工況下熱管理部件排布順序?qū)囕dPEMFC冷卻效果以及輸出電壓的影響。

圖5 CHTC-B工況及對(duì)應(yīng)PEMFC負(fù)載功率

圖6 CHTC-C工況及對(duì)應(yīng)PEMFC負(fù)載功率

4 車載PEMFC熱管理部件布置形式分析

本文主要關(guān)注車載PEMFC熱管理系統(tǒng)散熱問題。如圖7與圖8所示,按照冷卻液流經(jīng)順序,將散熱器在前、冷卻水箱在后的排布方式稱為R-T排布;將冷卻水箱在前、散熱器在后的排布方式稱為T-R排布。

為提高PEMFC內(nèi)部溫度場(chǎng)的均勻性,維護(hù)系統(tǒng)工作穩(wěn)定性,一般要求冷卻液進(jìn)出口溫差保持在10 ℃范圍內(nèi)[16]。結(jié)合前文分析,通過冷卻液轉(zhuǎn)移熱量占比總熱量95%以上,根據(jù)PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫差可計(jì)算冷卻液轉(zhuǎn)移熱量與冷卻液流量近似值。

圖7 R-T排布示意圖 圖8 T-R排布示意圖

參考中國(guó)氣象局出版《中國(guó)氣候公報(bào)(2021年)》,全國(guó)全年大部分天數(shù)氣溫在0～40 ℃。選取環(huán)境溫度均勻升高的0～10 ℃與30～40 ℃ 2個(gè)區(qū)間為研究區(qū)間,研究CHTC工況在該研究區(qū)間內(nèi)的冷卻液進(jìn)出口溫度與溫差變化,以及對(duì)應(yīng)輸出電壓。

在大氣壓力環(huán)境下,空氣的比熱容在0～60 ℃范圍內(nèi)均為1.005 kJ/(kg·K),散熱器進(jìn)出口空氣溫差在19.73 ℃左右。假設(shè)在同一工況相同速度區(qū)間內(nèi),散熱器內(nèi)冷卻液流量、空氣流量、轉(zhuǎn)移的能量都保持不變,設(shè)置散熱器空氣進(jìn)口溫度為環(huán)境溫度,空氣出口溫度高于環(huán)境溫度20 ℃。

在車載PEMFC 2種工況運(yùn)行過程中,選取PEMFC冷卻液出口處溫度為70 ℃,其他冷卻部件中冷卻液初始溫度為65 ℃,并在同一工況區(qū)間內(nèi)選取同樣的冷卻液流量與散熱器冷卻空氣流量。

4.1 CHTC-B熱管理部件排布分析

根據(jù)CHTC-B運(yùn)行工況分析,該工況的2個(gè)速度區(qū)間內(nèi)車輛行駛速度較低,加速度分布較為均勻,負(fù)載功率鮮有超過40 kW的情況。為減少仿真實(shí)驗(yàn)中冷卻液與散熱器冷卻空氣對(duì)結(jié)果的影響,通過PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫差為5～7 ℃,計(jì)算得到該工況運(yùn)行過程中冷卻液流量為0.11 kg/s,對(duì)應(yīng)散熱器冷卻空氣流量為0.04 kg/s。

如圖9與圖10所示,T-R排布方式中,PEMFC冷卻液出口溫度在69.1～70 ℃;冷卻液進(jìn)口溫度在62.5～62.9 ℃;冷卻液進(jìn)出口溫差在6.3～7.4 ℃;輸出電壓在380.5～381.2 V。在R-T排布中,PEMFC冷卻液進(jìn)口與出口溫度都高于T-R排布時(shí),冷卻液出口溫度在69.5～71 ℃,冷卻液進(jìn)口溫度在64.3～64.8 ℃;冷卻液進(jìn)出口溫差在4.8～6.4 ℃;輸出電壓在380.8～382 V。

圖9 CHTC-B工況PEMFC冷卻液進(jìn)口與出口溫度

圖10 CHTC-B工況PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫差及輸出電壓

環(huán)境溫度在不同區(qū)間變化時(shí)對(duì)不同冷卻部件排布之間的各種參數(shù)影響較小。在環(huán)境溫度變化過程中,車輛行駛速度較低、行駛加速度較小的運(yùn)行工況下,車載PEMFC熱管理部件排布方式選取冷卻液出口溫度相對(duì)平緩、進(jìn)出口溫差波動(dòng)范圍較小的T-R排布更為合理。

PEMFC負(fù)載功率越大,其內(nèi)部生成熱量越多[9],CHTC-B高速部分負(fù)載功率相對(duì)增加,產(chǎn)生熱量較多,進(jìn)而導(dǎo)致冷卻液進(jìn)口溫度與輸出電壓有增長(zhǎng)趨勢(shì)。結(jié)合該工況運(yùn)行過程輸出功率情況分析,認(rèn)為其為合理趨勢(shì)。

4.2 CHTC-C熱管理部件排布分析

根據(jù)CHTC-C運(yùn)行工況分析,3個(gè)速度區(qū)間車輛行駛速度與加速度都有較大波動(dòng),高速區(qū)間中車輛行駛速度較大。根據(jù)3個(gè)速度區(qū)間車載PEMFC平均負(fù)載功率與PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫差為5～7 ℃計(jì)算,市區(qū)速度區(qū)間冷卻液流量為0.08 kg/s,散熱器冷卻空氣流量0.005 kg/s;城郊速度區(qū)間冷卻液流量為0.24 kg/s,散熱器冷卻空氣流量0.06 kg/s;高速區(qū)間冷卻液流量為1.95 kg/s,散熱器冷卻空氣流量0.6 kg/s。

如圖11與圖12所示,在T-R排布方式中,PEMFC冷卻液出口溫度在67.3～71.8 ℃;冷卻液進(jìn)口溫度在63.1～64.3 ℃;冷卻液進(jìn)出口溫差在2.9～7.7 ℃;輸出電壓在379.1～382.6 V。在R-T排布中,PEMFC冷卻液進(jìn)口與出口溫度都高于T-R排布時(shí),冷卻液出口溫度在68.8～73.1 ℃;冷卻液進(jìn)口溫度在64.1～65.8 ℃;冷卻液進(jìn)出口溫差集中在2.9～7.5 ℃;輸出電壓在380.2～383.6 V。

圖11 CHTC-C工況PEMFC冷卻液進(jìn)口與出口溫度

圖12 CHTC-C工況PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫差及輸出電壓

根據(jù)分析,在環(huán)境溫度變化過程中,車輛行駛速度較高、行駛加速度較大的運(yùn)行工況下,車載PEMFC熱管理部件排布方式選取冷卻液出口溫度相對(duì)平緩、進(jìn)出口溫差波動(dòng)范圍較小的R-T排布更為合理。

結(jié)合負(fù)載功率與熱量之間的關(guān)系,CHTC-C高速部分區(qū)間輸出功率變化波動(dòng)明顯,為整個(gè)工況中的最高負(fù)載功率與最低負(fù)載功率同時(shí)存在的區(qū)間,而冷卻液流量與散熱器冷卻空氣流量保持不變。因此,在此區(qū)間中,PEMFC冷卻液出口溫度、冷卻液進(jìn)出口溫差、輸出電壓三者都會(huì)出現(xiàn)整個(gè)工況運(yùn)行過程中的最大值與最小值。經(jīng)過PEMFC冷卻液進(jìn)出口溫差范圍分析,認(rèn)為該波動(dòng)在合理范圍內(nèi)。

5 結(jié)論

1) 出于車載PEMFC內(nèi)部溫度穩(wěn)定性考慮,當(dāng)其負(fù)載功率較小、功率波動(dòng)變化較平緩時(shí),T-R排布冷卻液進(jìn)口溫度、冷卻液出口溫度、冷卻液進(jìn)出口溫差、輸出電壓的4個(gè)值波動(dòng)范圍分別為R-T排布波動(dòng)范圍的80%、60%、68.75%、58.3%,熱管理部件排布選擇T-R排布更為合理;同理,車載PEMFC負(fù)載功率較大且功率波動(dòng)變化較明顯時(shí),R-T排布冷卻液出口溫度、冷卻液進(jìn)出口溫差、輸出電壓的3個(gè)值波動(dòng)范圍分別為T-R排布波動(dòng)范圍的95.6%、95.8%、97.1%,熱管理部件排布選擇R-T排布更為合理。

2) 環(huán)境溫度分別在0～10 ℃與30～40 ℃ 2個(gè)區(qū)間內(nèi)變化時(shí),環(huán)境溫度較高的區(qū)間較之環(huán)境溫度較低的區(qū)間,PEMFC冷卻液進(jìn)口與出口溫度都較高,冷卻液進(jìn)出口溫差較小,輸出電壓較高。

3) 在同一工況中,PEMFC熱管理部件排布方式不同不影響PEMFC冷卻液進(jìn)口溫度、冷卻液出口溫度、冷卻液進(jìn)出口溫差、輸出電壓在不同溫度區(qū)間內(nèi)升高或者降低的趨勢(shì)與程度。