曾輝杰，常國(guó)峰，倪淮生，俞嘉麟

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；3.上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)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(guó)峰1,2，倪淮生1,3，俞嘉麟3

(1.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；3.上海燃料電池汽車動(dòng)力系統(tǒng)有限公司，上海 201804)

質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低、熱負(fù)荷大，如何使熱管理系統(tǒng)在工作時(shí)充分發(fā)揮出其性能，是燃料電池?zé)峁芾砉ぷ鞯闹攸c(diǎn)。根據(jù)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(tǒng)散熱器的換熱效率為指標(biāo)，通過(guò)小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，對(duì)燃料電池汽車散熱器的換熱效率影響因素進(jìn)行研究。通過(guò)計(jì)算分析得到：在燃料電池汽車運(yùn)行工況下，可通過(guò)調(diào)節(jié)工質(zhì)的運(yùn)行參數(shù)，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??；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(cè)(冷流體側(cè))入口溫度的減小而降低。

燃料電池；散熱器；換熱效率；風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

質(zhì)子交換膜燃料電池工作溫度低，冷卻液與環(huán)境溫差小，若用傳統(tǒng)車用散熱模塊，其體積為傳統(tǒng)汽車散熱模塊的2～3倍，無(wú)法滿足燃料電池車總布置設(shè)計(jì)的要求。很多國(guó)內(nèi)外的學(xué)者都在進(jìn)行燃料電池?zé)峁芾淼难芯俊angjun Zhang等[1]建立質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型，以確定熱管理系統(tǒng)的基本熱物理行為，并對(duì)燃料電池輸出功率、冷卻液流量、空氣流量和環(huán)境溫度等系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行研究。Pukrushpan[2]給出了質(zhì)子交換膜燃料電池電堆系統(tǒng)的建模，建立了適合于控制的PEMFC電堆系統(tǒng)動(dòng)態(tài)模型。Moo-Yeon Lee等[3]研究了用R744取代R-134a對(duì)燃料電池汽車空調(diào)系統(tǒng)性能的影響。

燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)中，散熱器的換熱效率作為衡量散熱器運(yùn)行效率的重要參數(shù)，歷來(lái)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(duì)降低燃料電池輔助系統(tǒng)功耗，提高燃料電池輸出功率及熱管理系統(tǒng)的優(yōu)化控制起著重要的作用。

1 換熱效率對(duì)燃料電池?zé)峁芾淼囊饬x

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

表1所示為某燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)中，散熱器運(yùn)行時(shí)的換熱效率。提高燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱器的換熱效率，可以降低燃料電池輔助系統(tǒng)功耗，提高燃料電池續(xù)駛里程；同時(shí)可增加燃料電池的輸出功率，提高整車的動(dòng)力性。從表1中可以看出，目前其換熱效率由于運(yùn)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(shí)可以通過(guò)優(yōu)化運(yùn)行工況，提高換熱效率。

表1 不同工況時(shí)燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)換熱效率

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

表3 部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖1 散熱器風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)

2 實(shí)驗(yàn)

利用散熱器小型風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果，計(jì)算燃料電池散熱器在不同工況下的換熱效率，通過(guò)散熱器測(cè)試平臺(tái)，依據(jù)燃料電池系統(tǒng)的運(yùn)行工況，設(shè)定相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)工況。同時(shí)，通過(guò)風(fēng)洞測(cè)試平臺(tái)上的傳感器，測(cè)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(shù)，用于計(jì)算換熱效率。

2.1 實(shí)驗(yàn)工況

考慮燃料電池汽車熱管理系統(tǒng)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(tǒng)分為三個(gè)子部分：燃料電池?zé)峁芾怼?dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)(包含電機(jī)、PCU、DC/DC等)熱管理、空調(diào)系統(tǒng)。本文分別對(duì)燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)散熱器，以及燃料電池和動(dòng)力系統(tǒng)平臺(tái)熱管理系統(tǒng)散熱總成進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)工況考慮燃料電池工作溫度低的特點(diǎn)結(jié)合車用工況進(jìn)行設(shè)定，如表2所示。

表2 實(shí)驗(yàn)工況

如圖1所示，散熱器位于風(fēng)洞進(jìn)風(fēng)口，采用膠合板、硅膠等進(jìn)行密封，在散熱器前段1 m處置環(huán)境溫度采集儀，將所采集空氣送入溫度傳感器，所測(cè)得的溫度即是散熱器空氣入口側(cè)的溫度。冷卻液進(jìn)出口均有溫度傳感器測(cè)量冷卻液進(jìn)出溫度，并通過(guò)內(nèi)部調(diào)控使每個(gè)工況點(diǎn)冷卻液的進(jìn)口維持恒定。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

依據(jù)表2中所示的工況進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，部分實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表3所示。通過(guò)實(shí)驗(yàn)所提供的數(shù)據(jù)，就可以計(jì)算不同工況下的散熱器的換熱效率。

3 不同工況時(shí)換熱效率對(duì)比

3.1 不同冷卻液時(shí)換熱效率對(duì)比

圖2 不同冷卻液時(shí)換熱效率

質(zhì)子交換膜燃料電池對(duì)于冷卻液的電導(dǎo)率有著嚴(yán)格的要求。如果冷卻液中離子含量高，則電導(dǎo)率會(huì)升高，燃料電池的冷卻液流經(jīng)的管道內(nèi)會(huì)發(fā)生輕微的電解反應(yīng)，產(chǎn)生氫氣和氧氣的混合氣體，這在質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部將會(huì)影響PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的安全運(yùn)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(jié)冰，減少對(duì)燃料電池的傷害，實(shí)現(xiàn)燃料電池汽車的快速冷啟動(dòng)，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(shí)，由于乙二醇的比熱容小，導(dǎo)致冷卻液的比熱容比去離子水的低，為達(dá)到同樣的熱交換量，循環(huán)量必須要增大；同時(shí)，若冷卻液被金屬離子污染，那么去除金屬離子的難度遠(yuǎn)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(shí)，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(shí)，采用去離子水的散熱器所散發(fā)出的熱量要多。

3.2 不同冷卻液流量時(shí)換熱效率對(duì)比

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

在不同冷卻液流量時(shí)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(shí)換熱效率

3.3 空氣流速對(duì)換熱效率的影響

對(duì)散熱器而言，其主要熱阻是空氣側(cè)熱阻，因此，空氣流速對(duì)燃料電池汽車的熱管理系統(tǒng)有較大影響，增加空氣側(cè)流速能提高熱管理系統(tǒng)的散熱能力。

空氣流速對(duì)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(shí)換熱效率

空氣流速對(duì)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(huì)使散熱器換熱效率減小。散熱器空氣流速受車速和散熱風(fēng)扇的雙重作用，采用功率更大的風(fēng)扇可以增加空氣流速，以增加散熱器的散熱量，但與此同時(shí)，散熱器換熱效率降低，熱管理系統(tǒng)功耗增加，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)凈輸出功率減小，系統(tǒng)效率降低。

3.4 空氣入口溫度對(duì)換熱效率的影響

空氣側(cè)(冷流體側(cè))入口溫度對(duì)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?？諝鈧?cè)入口溫度對(duì)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(cè)入口溫度高時(shí)，散熱器換熱效率更大。

圖5 不同空氣入口溫度時(shí)換熱效率

空氣側(cè)(冷流體側(cè))入口溫度對(duì)散熱器性能具有雙重影響：一方面，空氣側(cè)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(cè)入口溫度減小會(huì)使散熱器換熱效率減小。

4 結(jié)論

(1)換熱效率是表征燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的重要參數(shù)。在燃料電池運(yùn)行中，可通過(guò)合理調(diào)節(jié)工質(zhì)參數(shù)，提高散熱器的換熱效率，降低燃料電池輔助系統(tǒng)功耗，提高燃料電池續(xù)駛里程；同時(shí)可增加燃料電池的輸出功率，提高整車的動(dòng)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(tǒng)的性能，在環(huán)境溫度較高時(shí)，應(yīng)采用去離子水作為冷卻液；在環(huán)境溫度較低(0℃以下)時(shí)，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(cè)(冷流體側(cè))入口溫度的減小而減小，但空氣側(cè)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。

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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(guó)家“863”高科技資助項(xiàng)目(2011AA11A265)

曾輝杰(1988—)，男，湖南省人，碩士生，主要研究方向?yàn)樾履茉磩?dòng)力系統(tǒng)。

常國(guó)峰，E-mail:changguofeng@#edu.cn