（动力机械及工程专业论文）pemfc发动机热管理系统设计及仿真研究.pdf

摘要 热管理是燃料电池汽车研究与开发的热点和难点问题之一，特别是低温型燃 料电池电动汽车，其热负荷可能达到传统汽车的两倍，这对热管理系统的设计提 出了更高的要求。本文针对质子交换膜燃料电池( p e m f c ) 发动机的热管理问题， 对热管理系统设计、试验和仿真技术进行了系统的研究。 通过对电堆温度特性的分析，对p e m f c 电堆的排热进行了设计，包括冷却 方式和冷却液的选取，同时，对p e m f c 发动机热管理系统进行了设计，重点是 保证电堆能够得到及时有效的散热，并保持电堆温度的平衡。在此基础上，对风 扇、水泵、散热器等部件的工作特性和电堆之间的动态匹配进行了试验分析，最 后，对p e m f c 发动机热管理系统进行了匹配计算，据此对散热器、水泵进行选 型。 机电一体化技术的发展，使得对p e m f c 电堆工作温度的自动控制成为可能， 同时，计算机技术的发展，也使得对p e m f c 发动机热管理系统的仿真研究受到 了重视。本文通过对p e m f c 发动机生热与散热的分析，建立了各自的热力学数 学模型和系统热平衡模型，利用计算机仿真软件m a t l a b s i m u l i n k 搭建起由各部 件模型组成的系统仿真模型，运用模糊控制的方法建立起电堆工作温度的控制策 略。仿真结果基本反应了电堆实际工作过程温度的变化趋势。 热管理试验台架为p e m f c 电堆的性能测试以及热管理系统性能优化研究提 供了重要的技术手段。通过采用温度自动控制和自来水自动掺混补给方法，设计 并建立了一套适用于p e m f c 电池发动机台架试验的热管理系统。通过分析热管 理系统热源、换热器、水泵等关键部件流动和传热机理，建立了热管理系统的物 理数学模型。利用有限差分法进行求解，发展了试验台仿真模拟系统，为台架运 行和控制提供了指导。 关键词：热管理，p e m f c ，仿真，试验台架 a b s t r a c t t h e r m a lm a n a g e m e n ti sc r i t i c a lf o ra u t o m o b i l ef u e le c o n o m ya n ds a f e t y , a sw e l l a se n v i r o n m e n t a lc o n s e r v a t i o n i ti sam a i nt e c h n i c a lb a r r i e ro fa u t o m o b i l er & d e s p e c i a l l yf o rl o wt e m p e r a t u r ef cv e h i c l e ，b e c a u s eo fi t sl o wo p e r a t i n gt e m p e r a t u r e ， i t sh e a tl o a d sc a nd o u b l et h a to fan o r m a la u t o m o b i l ew i t he q u i v a l e n tp o w e r , w h i c h m a k e sh i g h e rd e m a n d so nt h ed e s i g no ft h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m i nt h i sp a p e r , s o m er e s e a r c h e so nt h et h e r m a lm a n a g e m e n to fp r o t o ne x c h a n g em e m b r a n ef u e lc e l l ( p e m f c ) e n g i f i e ，s u c ha s ，d e s i g no ft h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e m ，e x p e r i m e n ta n d s i m u l a t i n gt e c h n o l o g ya r ed o n e b a s e do nt h ea n a l y s i so ft h et e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i co ff cs t a c k , t h ea p p r o a c h t oh e a tt r a n s f e ro fs t a c ki sd e s i g n e d t h ee m p h a s i si st h a tr e d u c e sf l o wr e s i s t a n c ea n d l o w e r st h et e m p e r a t u r eg r a d i e n to fs t a c k a tt h es a m et i m e ，t h et h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e mo fp e m f ce n g i n ei sd e s i g n e d t h ee m p h a s i si st h a tt h eh e a tg e n e r a t e dm u s t b ed i s c h a r g e dq u i c k l yt om a i n t a i ni t si s o t h e r m a lo p e r a t i o n t h e n ，b a s e do nt h e e x p e r i m e n t ，t h ee f f e c to fa i r f l o wr a t ea n dw a t e rf l o wr a t eo nt h ep e r f o r m a n c eo fs t a c k i sd i s c u s s e d l a s t l y , a c c o r d i n gt ot h em a x i m a ls t a c ko u t p u tp o w e r , t h em a x i m a lw a t e r f l o wr a t ei sc a l c u l a t e d ，w h i c hp r o v i d e sat h e o r e t i c a lb a s i sf o rw h i c ht y p e sr a d i a t o r so r w a t e rp u m p sa r eu s e d w i t ht h ed e v e l o p m e n to fa u t o m a t i o nt e c h n o l o g y , i ti sp o s s i b l et h a tt h es t a c k o p e r a t i n gt e m p e r a t u r e i sc o n t r o l l e d a u t o m a t i c a l l y a tt h es a l r l et i m e ，w i t h t h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y , s i m u l a t i o nr e s e a r c ho nt h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e mo fp e m f ce n g i n eb e c o m e sp o s s i b l e w i t ht h ea n a l y s i so fh e a tg e n e r a t i o na n d r a d i a t i o no ft h ep e m f c e n g i n e ，r e s p e c t i v et h e r m o d y n a m i c sm a t h e m a t i c a lm o d e la n d s y s t e mt h e r m a le q u i l i b r i u mm o d e lw e r ee s t a b l i s h e d t h e nb yu s eo fc o m p u t e r s i m u l a t i o ns o f t w a r em a t l a b s i m u l i n k t h e s y s t e ms i m u l a t i o nm o d e l w h i c hi s c o m p o s e db yv a r i o u ss u b s y s t e mm o d e l sw a sb u i l t a n dt h et e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 s t r a t e g yb a s e do i lf u z z yc o n t r o lm e t h o dw a se s t a b l i s h e d t h es i m u l a t i o nr e s u l t b a s i c a l l yc o r r e s p o n d e dt 0 t h et e m p e r a t u r e c h a n g e t e n d e n c yo fs t a c kp r a c t i c a l o p e r a t i n gp r o c e s s t h e r m a lm a n a g e m e n tt e s t b e d sp r o v i d ea l li m p o r t a n tt e c h n i c a lm e t h o df o rt h e p e r f o r m a n c et e s to fp e m f cs t a c ka sw e l la st h er e s e a r c ho nt h e r m a lm a n a g e m e n t s y s t e m sp e r f o r m a n c eo p t i m i z a t i o n t h ea u t o m a t i c a l l yc o n t r o l l i n g s t r a t e g y f o r t e m p e r a t u r ea n dt a pw a t e rs u p p l e m e n t i n ga n dc o m m i n g l i n gm e t h o dw e r ea d o p t e d ， a n dat h e r m a lm a n a g e m e n ts y s t e ms u i t a b l ef o rf u e lc e l le n g i n ee x p e r i m e n tp l a t f o r m 儿 w a ss e tu p m a t h e m a t i c a lm o d e la n da r i t h m e t i co ft h en u m e r i cs y s t e mw a sd e v e l o p e d b a s e do nt h ep r i n c i p l eo ft h e r m a lf l u i dd y n a m i c s k e yw o r d s ：t h e r m a lm a n a g e m e n t ，p e m f c ，s i m u l a t i o n ，t e s t b e d 1 1 i 此页若属实，请申请人及导师签名。 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其 他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何 贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名： 关于论文使用授权的说明 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部内 容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生签名：茧堕遗导师签名：走! 遗日期 注：请将此声明装订在论文的目录前。 加“歹、1 中 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 汽车热管理的重要意义 汽车热管理是从系统集成和整体角度，控制和优化汽车的热量传递过程，将 各个部件冷却系统、预热与保温系统、气候控制系统( 联合式暖风、空调系统 和通风系统) 等集成为一个有效的热管理系统，保证关键部件系统安全高效运 行，控制和优化热量传递过程，减小热管理系统的尺寸和功率消耗，完善地管 理并合理利用热能，降低废热排放，提高能源利用效率，减少环境污染u _ 矗4 | 。 热管理在汽车节能、环保和安全等方面具有突出的战略地位。热管理技术成 为汽车节能、提高经济性和保障安全性的重要措施，并具有十分广阔的前景晦届】。 降低热管理系统功耗和提高余热利用，是汽车节能的重要技术途径。通过系 统集成降低热管理系统功耗和重量，可大大提高汽车燃油经济性。汽车余热占 汽车能源消耗的比例高达5 0 7 0 ，余热利用将大大提高汽车的能量利用效 率。 热管理对汽车电子器件、以及燃料电池和蓄电池等电动汽车关键部件正常工 作和寿命也具有重要的影响。 随着对汽车节能和环保的要求越来越高，以及电动汽车的研究与开发，世界 汽车工业发达国家均十分重视汽车热管理技术的研究，将其作为汽车发展研究 计划的主要研究内容之一，如美国能源部的混合电动汽车计划、自由汽车计划 等重大专项计划。美国能源部还于2 0 0 1 年启动了为期十年的冷却汽车( c o o l c a rp r o j e c t ) 专项研究计划。 1 2 燃料电池发动机热管理设计和集成优化 1 2 1 热管理系统设计 由于动力系统各关键部件、各子系统、各种仪器和设备的不同特性，以及车 用环境和工况的复杂性要求维持温度范围、温度变化速率、各点温度之差以及 温度极限不同。热管理系统设计的主要内容是根据动力系统车用性能的要求以 及动力系统工况和车用环境，在关键部件热特性研究的基础上，采取各种热管 武汉理工大学硕士学位论文 理措施来组织动力系统内外流动与传热过程，控制温度变化范围、匀化部件温 度水平、控制极限温度，保证在不同季节、地区的各种车用环境和工况下，热 管理满足要求i 。”。燃料电池动力系统热管理系统设计的目标为： ( 1 ) 控制温度变化范围 质子交换膜燃料电池堆要求在6 0 8 5 范围内工 作。氢气和空气温度均低于所要求的温度，因此要对进气系统的气体在进入燃 料电池前进行预热加湿。同时需根据燃料电池系统水平衡要求，控制排气系统 的气体温度范围进行冷却除湿。 ( 2 ) 匀化部件温度水平燃料电池堆、蓄电池组等要求各部分温度基本一致， 以保持其工作性能如为提高电池堆内温度分部均匀性，要求电堆进出口冷却液 温差应小于1 0 ，最好小于5 。c 。另外，出于简化设计、试验及提高通用性和 可靠性考虑，对系统各部件之间温度差也会有要求。 ( 3 ) 控制温度极限动力系统的大部分部件和设备，要求在某个温限以下工 作，需要控制温度极限。如若燃料电池堆局部温度不平衡，温度高于1 0 0 时， 膜出现微孔，使空气系统有氮，将导致严重的安全事故。 1 2 2 热管理系统集成优化 热管理系统集成优化是从功能、能量、控制和硬件几个方面，将燃料电池 发动机的气体系统、冷却系统、预热系统、加湿系统以及蓄电池等部件冷却系 统、空调系统等集成为一个有效的热管理系统，控制和优化流动和热量传递过 程，保证设备安全高效运行，减小系统设备尺寸和功率消耗，提高能源利用效 率。 1 ) 功能集成 功能集成是通过各部件系统之间共享资源，减少通风及各种气体回路、液 体冷却回路，推荐使用功能组件和标准件，减小硬件的种类和数量，特别是受 时空限制的硬件数目等，使得系统既满足动力系统整体热管理的性能需要，又 从各方面消除潜在的功能重复现象。 v a l e o 公司a p 根据燃料电池动力系统对热管理系统功能要求的不同，集 成设计出了高低温两路循环热管理系纠剐。其中高温循环用于燃料电池电堆热管 理，低温循环用于电机、蓄电池、d c d c 转换器和d c a c 逆变器等附件设备 的热管理。并比较了使用一个电动泵和两个电动泵的不同管路布置对热管理系 统性能的影响。 2 ) 能量集成 武汉理t 大学硕士学位论文 能量集成是将各种热能进行综合调配，尽可能回收废热，减小能量浪费， 提高能量利用效率。 c a o 等利用p e m f c 废热进行燃料重整，研究表明可以提高动力系统效率 4 0 ，利用了超过9 0 的燃料电池堆排放热量，减小了冷却系统的工作负荷【。 3 ) 控制集成。 控制集成是使热管理系统尽可能分享其它系统的控制资源与控制信息。 4 ) 硬件集成 硬件集成为换热器、驱动泵、阀门、加湿器、汽水分离器、冷却风扇等硬 件设备结构集成和系统匹配。这些设备的性能互相影响，设备选型和系统匹配 是对动力系统进行有效热管理的前提。系统硬件设备还受到燃料电池汽车动力 系统工作条件的制约，要求其结构紧凑、重量轻、高效率和高可靠性。 v a l e o 公司的a p n s 等人数值研究了从怠速到最高速度各种不同车速下风扇 功率对发动机冷却系统热性能的影响，提出中高速时，功率较低风机对散热性 能影响较小【1 0 】。文献【1 1 ，1 2 】研究了风扇安装和系统之间的耦合，以及安装效应 对系统性能的影响。 德尔福公司提出热管理系统中置风扇配置，冷却风扇置于冷凝器后和散热 器前【1 3 】。文献【1 4 ，1 5 】分别研究了此种配置在汽车前进和怠速时的性能，研究表 明c f r m 配置能驱动更多空气流过冷凝器和散热器，但怠速时容易引起前端空 气回流。 奥克兰大学的z o u 等利用数值仿真研究了节温器对热管理系统性能的影响 1 1 6 1 。研究结果表明常用工况下，温度振荡随时间而消失，但是在某些特定工况 下，温度振荡则可能不会消失。清华大学罗建曦等数值研究了节温器的热特性 和布置方式对热管理系统动态特性的影响，为热管理系统节温器集成打下基础。 1 3p e m f c 发动机热管理建模及仿真 燃料电池发动机热管理流动与传热仿真的数学模型为十分复杂的多维非线 性偏微分方程组，在建模过程中将进行系统分解，即先暂时完全“切断”系统 中各子系统( 部件) 间的状态关联，将热管理系统分解为若干相对简单的子系 统，利用相应的基础理论，采用模块化建模方法，分别建立起各子系统的动力 学模型，然后把这些局部模型综合起来，构成描述复杂热管理系统动力学过程 的数学模型。p e m f c 发动机热管理仿真系统主要包括以下两部分： 1 ) 热管理系统的关键部件子系统仿真模型1 7 1 。 武汉理_ 大学硕士学位论文 2 ) 热管理流体网络集成仿真系统。 以关键部件，子系统仿真模型为基础，考虑各部件子系统之阳j 的流动与传热 耦合效应，对各部件子系统进行集成综合，建立热管理流体网络系统的复杂动 力学过程的物理数学模型，建立热管理流体网络仿真系统。 燃料电池发动机热管理系统由电堆、散热器、水泵、风扇、水箱五大部件 组成，下面对这些部件的数学物理模型简要介绍如下： 1 ) 电堆模型 电堆有实验模型和机理模型两种。实验模型主要对电池的外特性加以描述， 无法反应电池内部的工作情况，并且实验模型是基于具体的对象和实验条件， 有其局限性。而机理模型则是对电池内部工作过程的特性进行描述，并通过三 维模型比较准确地反映电池内各个局部的工作情况( 如反应气体、压力、湿度、 水量、温度、电流密度等参数的分布) 。这对电池的设计和操作具有现实的指导 意义。但机理模型比较复杂，求解困难，不易掌握，其中的一些实验参数与实 验条件关系密切，而经验模型结构简单，使用方便，所以在实际使用中应根据 具体情况加以选择。在经验模型中，从热力学和电化学角度建立起来的数学模 型，计算电堆热量的生成；用能量守恒方程计算电堆的温度：用动量方程来计 算电堆水传递过程的压力损失。 2 ) 散热器模型 用集总参数法对散热器进行建模，建立流过散热器的流体压力流量方程以 及热力学方程，计算散热器的散热量和压力损失。由于散热器传热系数是一个 受环境影响很大的不确定量，在实际建模过程，常常通过大量的试验数据来拟 合散热器的散热量公式。 3 ) 水泵模型 对于水泵丽言，主要是建立水泵性能( 流量) 随转速变化的关系，进行计 算时，利用抛物线近似水泵性能曲线。 4 ) 风扇模型 风扇性能曲线通常采用无因次特性参数表达。在建模时，主要是建立风扇 性能随转速和气体密度变化的关系，进行计算时，利用抛物线近似风扇性能曲 线。 5 ) 水箱模型 主要是建立水箱传热、流量关系方程。 武汉理工大学硕士学位论文 1 4 论文工作目的及主要内容 热管理为汽车节能、安全和环保的重要技术之一，是当代汽车研究与开发、 特别是燃料电池等电动汽车研究与开发所面临的主要难点之一。燃料电池发动 机中产生的能量将近有5 0 以热量的形式排放到环境当中，又因为p e m f c 是一种 低温燃料电池，典型的工作温度范围为6 0 0 c 8 0 0 c ，使得它的散热温差很小，导 致它有非常大的热负荷。p e m f c 热管理就是对电池内热量的生成与传递、温度场 分布及控制和冷却方式及废热利用技术进行研究，目的是促使整个电池吸放热 平衡在某温度值，整个电池温度场分布均一，提高燃料电池发动机的热使用效 率。 论文第2 章在对p e m f c 电堆温度特性分析的基础上，对p e m f c 发动机热管理 系统进行了设计，包括p e m f c 发动机电堆内部的排热设计以及电堆外部的热管 理系统设计，然后针对某一车型对p e m f c 发动机热管理系统进行了匹配计算， 对散热器及水泵等关键部件进行选型。 论文第3 章通过对p e m f c 发动机进行简化，从热力学、电化学和控制的角度 建立了一个适用的p e m f c 电堆温度控制模型，然后借助计算机仿真软件 m a t a b s i m u li n k 对整个系统进行模块搭建，按照实车运行工况进行仿真模拟， 特别是对电堆温度进行监测和控制。 论文第4 章对燃料电池发动机热管理系统试验台架进行设计，并在此基础上 建立起相应的物理数学仿真模型。 本论文针对这些问题进行研究，对提高p e m f c 发动机系统热效率和保证系统 稳定工作有十分重要的意义。 武汉理t 大学硕士学位论文 第2 章p e m f c 发动机热管理系统设计及匹配计算 2 1p e m f c 电堆温度特性 p e m f c 温度特性主要由其电解质一质子交换膜所决定的。由于目前多数 p e m f c 均采用n a f i o n 系列膜作电解质，而这种电解质在温度超过8 0 时，其热 稳定性和质子传导性能将会严重下降，因而p e m f c 的最佳工作温度为8 0 左右 u 9 | 。燃料电池的工作温度对其性能有十分显著的影响，如图2 1 所示。电解质 采用d o w 公司的质子交换膜，工作压力为0 5 m p a ( 5 a r m ) ，p t 用量为0 4 5 m g c m 2 ， 工作温度分别为5 0 和9 0 。从图中可看到，随着温度的升高，电压一电流密 度曲线图上线性区的斜率( 绝对值) 是降低的，这意味着电池内阻的减小，这种 减小主要归结于电极欧姆电阻的下降。结果表明，随着温度的升高，在相同电 流密度条件下，燃料电池的工作电压随之增大，也就是说燃料电池的功率增大。 v 出 卸 电流密度( m a c m 4 ) 图2 1 温度和氧浓度对电池性能的影响 温度对p e m f c 电池性能影响的主要原因，总的来说，是温度提高，物质的 扩散过程和传递程度加快的缘故，具体机理分析如下凹川： ( 1 ) 温度升高，使h ：、o 。扩散系数加大，改善了电极内气体传质； ( 2 ) 温度升高，使催化剂p t 的活性提高，反应速率加快； 武汉理j 二大学硕士学位论文 ( 3 ) 温度升高，使电化学反应的速度加快，电子在m e a 电极内运动加快，从 而减小电化学极化现象，获得较大电流； ( 4 ) 温度升高，使质子h + 传递速度加快，h + 的膜电阻减小，电导率增大； ( 5 ) 温度升高，使质子交换膜内水扩散系数增加，因此，阴极电化学反应生 成的水向阳极扩散的速度加快，从而使质子交换膜内水分布均匀； ( 6 ) 在室温9 5 范围内温度升高时，有利于阴极电化学反应生成的水以气 态方式排出，电极淹没问题不会出现。 由此可知，温度对电堆性能有极大的影响，必须对它进行有效的控制。下 面就电堆内部的热管理以及外部热管理系统的合理匹配两方面做详细的分析。 2 2p e m f c 电堆热管理设计 2 2 1p e m f c 电堆热管理分析 p e m f c 的热管理，即是指对电池工作温度的控制，在此仅讨论p e m f c 内部的 热管理，有关其外部系统中的热管理将在下节进行说明。p e m f c 在燃料电池中虽 属于低温型电池( 1 0 0 ) ，但其工作温度仍高于环境温度，应维持在8 0 1 0 0 之间，否则各种极化都将增强，造成电池性能恶化。为此，进入电池内部的 反应气体一般都要进行预热，该过程往往与加湿过程同步进行。另一方面，考 虑到燃料电池的实际工作效率，p e m f c 产生的能量中仍有4 0 6 0 是以热能 形式散出的，因此当电池正常工作时仍需采取适当的措施对电池进行冷却。应 当指出的是，p e m f c 的热管理与其水管理在很大程度是相互影响的。f u l l e r t e 和n e w m a n l 利用稀溶液理论，对阳极、阴极和质子交换膜内组分分别采 用s t e f a n - - m a x w e l l 方程，配合热量守恒定律提出了一个p e m f c 中水和热平衡 的二维数学模型，解释了热管理与水平衡之间的相互关系，其主要结论是：( 1 ) 膜的水含量对热量的排出速率很敏感，由于气体热容小，热量传递稍有变化， 电池温度就会发生很大改变，如热量不能及时排出，就容易造成p e m f c 局部升 温，使膜失水，从而引起电池性能下降；( 2 ) 水平衡管理必须考虑热传递，热传 递是控制p e m f c 稳定工作的一个关键因素，由于需要热传递迅速随电流密度的 变化而变化，因而使得温度控制更加困难。 2 2 2p e m f c 电堆排热设计 p e m f c 电池组在大功率阶段工作时，设计的能量转换效率在4 0 左右；在小功 武汉理工人学硕士学位论文 率阶段工作时，能量转换效率可达6 0 上下。因此在p e m f c 电池组工作时，有 4 0 6 0 的废热必须排出，以维持电池组工作温度恒定。 2 2 2 1 冷却液循环排热 采用冷却液循环排热，要在p e m f c 电池组内加置排热板。对低电流密度 运行的电池组，如电流密度最大不超过5 0 0 m a c m 2 时，可2 3 节单池加置一块 排热板。由于p e m f c 技术的进步，其工作电流密度已逐步提高到1 c m 2 ，此 时为防止电池组内温度分布的不均匀，必须每节单池加置排热板。 在排热板内要设计冷却液流动通道，即流场。流场的作用是引导冷却剂流 动路径，防止在冷却液流经冷却腔内形成死角，导致单池局部温度升高。 图2 - 2 为一种单通道的蛇形流场，这种流 场阻力降大。为减少冷却液压力损失，也可采 用多通道蛇形流场或平行沟槽流场。排热板的 另一面为电池双极板流场，加工完成后需将两 块排热板采用导电胶黏合或焊接成一体，构成 带排热腔的双极板。当然也可采用密封组件， 将两块这种板靠电池组装力压合密封构成带 排热腔的双极板，但此时一定要保证两块板之 间接触电阻达毫秒欧每平方厘米级。 在电池组排热设计时，应依据电池组的排 热负荷，在确定的电池进出口循环冷却液最大 图2 2 排热板流场与结构示意图 压差的前提下，依据冷却液的比热容，计算冷却液的流量。为确保电池组温度 分布的均匀性，进出口冷却液温差一般不超过1 0 。c ，最好为54 c 。这样一来， 冷却水流量是比较大的，为减少冷却水泵的功耗，应尽量减少冷却液流经电池 组的压力降，因此带排热腔的双极板最好采用导热良好的材料( 如金属或石墨) 制备，并采用阻力小的平行沟槽流场。 若采用水作冷却剂，则必须采用去离子水，对水的电导要求非常严格。一 旦水受到污染，电导升高，则在电池组的冷却水流经的共用管道内要发生轻微 的电解，产生氢氧混合气，影响电池安全运行；同时也将产生一定的内漏电， 降低电池组的能量转化效率。 2 2 2 2 空气冷却 武汉理工大学硕士学位论文 对千瓦级尤其是百瓦级p e m f c 电池组，可以采用空气冷却，即空冷排除电 池的废热。此时为解决与电池组水管理的矛盾，最好把作为氧化剂用的空气与 作为冷却用的空气分开，分别控制。 图2 3 为一种采用常压空气冷却的 双极板结构原理图。它由两个单面的流 场板与中间的金属波纹板构成，中间的 流经排热空气的波纹板为矩形，也可为 波纹形，构成的空间可由风扇强制空气 通过，控制空气的流量即可达到排出适 量电池组废热的目的。此时要特别注意 减少波纹板与单面流场板之间的接触电 阻。 2 2 2 3 液体蒸发冷却 图2 - 3 常压空气冷却的双极板 结构示意图 众所周之，液体蒸发的潜热很大，非常适合用于p e m f c 电池组的排热。中 国科学院大连化学物理研究所在专利( 中国专利申请号9 8 1 1 4 1 7 5 7 ) 中提出一种 利用液态蒸发潜热排出p e m f c 电池组废热的方法。采用液体蒸发排热的带排热 腔的双极板结构与前述用冷却液循环排热的类同，其特点是可将冷却腔的蛇行 或平行沟槽流场改为多孔体流场，如高孔隙率的泡沫镍或几种不同目数的金属 网构成的网状流场。在p e m f c 电池组工作前，可用泵或依靠重力让各带冷却腔 的双极板的冷却腔内充满冷却蒸发液体( 如乙醇) ，当电池工作温度升高至其沸 点时，液体会气化，离开电池组并带出电池废热。通过外置冷凝器使气化液体 冷凝，可依靠重力或泵再将其返回电池组。用这种冷凝方法已成功运行了千瓦 级电池组，其工作温度恒定，控制也很简单。但在设计这种电池组的密封结构 时，要十分注意，严防冷却液通过共用管道渗入反应气腔，一旦渗入有可能影 响氧化还原或氢氧化的动力学，降低电池组的能量转化效率。 如能研制成功在高于1 0 0 下稳定工作的质子交换膜，可采用水的蒸发潜热 排出电池组的废热，即使水微量渗入反应气腔，也不会对电池性能带来任何不 利影响，而且也会提高家庭用p e m f c 的余热利用价值，提高燃料总的能量利用 效率。 2 2 2 3 冷却方式及冷却液的选取 1 ) 冷却方式的选取 武汉理工大学硕士学位论文 通过对几种排热方式的介绍和分析，清楚了每种排热方式各自的优缺点。 因此，本校自己设计的2 5 k w 燃料电池电堆采用冷却液循环排热，这也是目前大 多数中、大功率燃料电池电堆所采用的冷却方式。 2 ) 冷却液的选取 目前冷却液的使用主要有去离子水和水乙二醇混合物。使用去离子水有许 多的优点：比热要高、热传导性好，水的比热是4 1 8 k d k g - ，而乙二醇的比 热是2 7 2 j k g 。在同样循环量下，水带走的热量要比乙二醇带走的多，从 这种意义上说，水是比较理想的冷却剂。另外，水的来源广、无毒、价廉等等。 但水也有许多缺点，如冰点高，当气温低于o 时，水结冰使体积增加容易造 成水箱或冷却系统管道胀裂；水的沸点低，夏季高温时，当发动机处于苛刻条 件下行驶时，会造成水温升高，甚至沸腾，影响汽车正常行驶；溶在水中的金 属盐类受热后形成水垢，降低传热效率；水还会使金属生锈等。而乙二醇刚好 相反，它冰点低，沸点高，缺点主要是比热比较低。当乙二醇与水以一定的体 积比混合时，冰点可达- 6 0 。c 以下，而沸点在1 1 0 以上。另外，它不会损害橡 胶软管，加入防锈剂后不腐蚀金属，价格相对便宜，无不愉快的气味等。 由于燃料电池电堆对冷却液的绝缘性要求比较高，因此，对于乙二酵水溶 液来说，它到底会对电堆的稳定有什么影响，还需要做大量的实验研究，目前 还没有实际的应用。因此，现在普遍使用的是去离子水，本校设计的2 5 k w 燃料 电池电堆也选用去离子水作为冷却液。 2 3p e m f c 发动机热管理系统设计 2 3 1 系统设计分析 与标准的内燃机汽车动力系统相比，燃料电池系统的排热有两大难点。第 一，内燃机尾气温度很高，可以通过排气管将相当大一部分废热散发到大气中。 相比较丽言，燃料电池废气温度很低，从电堆中带走的热量很少。因为p e m 燃 料电池要求反应物的温度接近燃料电池废气的温度，这样近有一半的能量必须 通过冷却液带走。第二，目前大多数质子交换膜技术不能保证膜在高于8 5 的 温度下稳定工作，另外，一些膜在低于6 0 的温度下能获得最佳的性能。这意 味着跟环境的温差很低，不足以冷却系统。所以，几乎所有的废热都必须通过 冷却水散发掉，热负荷可能达到传统汽车的两倍憎“。 除了燃料电池电堆外，还有好几个f c p s 部件必须被冷却。这些部件为：电 武汉理上大学硕士学位论文 池，电动机，逆变器，d c d c 转换器以及a c 冷凝器等。 而且，燃料电池动力系统需要两种水平的温度：高温用于燃料电池电堆， 低温用于电子设备和其它的辅助设备。对于7 0 k w 8 0 k w 的燃料电池电堆，总散 热可能高达1 l o k w 。7 0 8 0 k w 将通过高温冷却回路冷却，其它的3 0 4 0 k w 将通 过低温冷却回路冷却。因此，为了满足电堆对温度的要求，必须对它外围的热 管理系统进行仔细的匹配。 2 3 2 系统设计 2 3 2 1 结构设计 燃料电池系统有四个子系统：电堆、燃料供给系统、空气供给系统和水热 管理系统1 2 ”。因为p e m f c 的热管理与其水管理在很大程度是相互影响、相互耦 合的，两者的设计必须同时兼顾。对于水系统来说，主要是对反应气体进行加 湿以及氢气尾气的水气分离。对于加湿来说，主要有增温加湿、蒸汽注射加湿 和直接加湿三种方式。对于增温加湿来说，就需要同热系统进行综合设计。对 于热系统来说，主要是根据系统设计目标，对散热器、水泵和管路之间进行合 理的布置，保证系统的稳定工作。 下图为一直接氢气燃料电池发动机水热管理系统示意图，图中包括电堆、燃 料系统、加湿系统及冷却系统。从图中可以看出，在冷却泵的作用下，循环水 将p e m f c 产生的热从内部导出，并通过空气水热交换器将多余的热量散掉， 同时利用冷却水分别对氢气和空气进行增温加湿。因为电堆的温度难以直接测 量，通常是通过对冷却水温的控制来实现热平衡，如电堆进口水温7 0 。出口 7 5 左右。电堆前后的水循环中各设置了一个温度传感器，进口水温通过e c u 对 冷却风扇进行控制来保证，出口水温则通过对冷却水泵进行控制来保证。系统中 冷却水同时也是加湿用水，应该使用不导电的脱离子水，因水量在不断减少，在 水箱中设置了水位传感器，在水循环管路中设置了电导率传感器，当水位报警或 水的电导率达到限值时则应及时添加或更换冷却水【矧。 武汉理t 大学硕士学位论文 加坐信息控制流一2 耘童唧二多 信息控制流呸2 蕴z 区墅王暖墨墨盔玲 图2 4 燃料电池发动机水热管理系统示意图 2 3 2 2 水风流量与电堆之间的匹配 除了从系统结构上对p e m f c 的水热系统进行优化设计外，由于p e m f c 存 在一个最佳的工作温度范围，因此在设计时还必须考虑冷却系统冷却水的流速 以及热交换器热交换能力的大小。如果水流速及热交换能力太大，就会导致电 池内部温度波动很大( 稳定工作时) ，从而造成电池性能下降；相反水流速设计 得太小，则会引起电池内部温度局部升高，质子交换膜性能变差，也会造成电 池性能恶化。下面基于试验数据变化曲线对水风流量与电堆之间的匹配进行讨 论。 1 ) 冷却液流量的影响 武汉理工大学硕士学位论文 4 5 8，89【0 1 21 31 4 1 5 1 6i tl81 92 0 冷却液流量( 舻自) 图2 5 电堆进出口冷却液温度( 冷却液流量的影响) 图2 5 显示了冷却液流量对电堆热性能的影响( 散热器空气侧条件不变) 。 当提高冷却液流量时，电堆冷却液出口温度差不多保持常数。所以，假如散热 器空气侧的条件保持不变的话，提高冷却液流量作用不大。当冷却液流量足以 带走电堆热量的情况下，这意昧着冷却液流量不是影响系统热性能的关键因素。 出空气流量带走的热量几乎是恒定的，这样，冷却液流量提高会导致散热器进 出口冷却液温度升高。但是，这仅仅针对电堆产生的热量以及散热器空气侧流 量恒定的情况。当电堆输出功率增大时，必须增大水流量。 图2 6 是根据图2 5 的数据计算出来的电堆进出口温差图。图中显示，冷 却液流速越大，温差就越小，电堆的温度梯度就越小。 p 一 越 赠 辩 锄 t5 678l 1 01 i1 2 1 3 i d 1 51 6 1 7 1 8 1 0 2 0 冷却液流量( m 3 h ) 图2 6 电堆进出口冷却液温差( 冷却液流量的影响) 2 ) 空气流速的影响 图2 7 给出了风扇空气流速对电堆热性能的影响。从图中可以看出，电堆 冷却液进出口温度都随空气流速提高而降低。其对电堆热管理的影响是非常重 要的。跟图2 5 相比，散热器空气侧是影响系统热性能的关键因素。因此，强 鲫 锄 知 卯 瓠 p v 越赠 武汉理丁大学硕士学位论文 化散热器空气侧的传热是燃料电池动力系统热管理的核心问题之一【韧。 l ，q 1 2 0 p 1 1 0 v1 0 0 0 91 0【11 21 。3l l 。51 6 i 71 8 风流量( m 3 i h ) 图2 7 电堆进出口冷却液温度( 空气流速的影响) 对以上试验结果进行分析可得，在保证电堆水流量要求的情况下，主要通过 提高风流量来提高散热效果。因此，对电堆温度进行实际控制时，主要通过控 制风扇的转速来调节经过散热器的风流量，来提高散热器的散热效果。 2 4p e m f c 发动机热管理系统匹配计算 对p e m f c 发动机热管理系统进行匹配计算，是散热器和循环泵选型的重要 依据。本文以我校设计开发的2 5 k w 燃料电池发动机为例进行散热量的计算。该 车以氢气为燃料，以空气为氧化剂，设计功率为2 5 k w 。由计算可知，在标准状 态下需要的空气体积流量k ，为7 5 5 7 l m i n ，h z 体积流量为3 1 7 3 l m i n 。 2 4 1 热量的来源 电堆工作时，其热量主要来源于4 个方面：化学反应热、焦耳热( 来源于 欧姆极化) 、加湿气体带入的热量和吸收环境辐射热【2 8 ，2 9 1 。加湿气体带入的热量 及吸收环境的辐射热与化学反应热和焦耳热相比相对较小，可忽略不计。因此， 燃料电池产生的废热为化学反应热与焦耳热之和为q 。 2 4 2 热量的散发渠道 电堆要处于热平衡，化学反应放热与焦耳热之和应该等于从电堆内散发走 的热量。从电堆散发走热量主要有以下三种形式： 巡赠 武汉理工大学硕士学位论文 2 4 2 1 电堆尾气 电堆的尾气包括：阳极有未反应的氢气，阴极有未反应的氧气和生成的水。 由于气体的比热容较小，故其带走的热量可以忽略。而排出的水中包括加湿带 入的水和反应产生的水，故既有气态的也有液态。根据文献及电堆的有关参数 可得，如果所有的水均以气态排出，则从电堆中带走的热量为q 1 ；6 0 5 6 w ； 如果所有的水以液态排出，则从电堆带走的热量0 2 = 6 7 8 7 5 w 。试验观察到， 液态的水基本上是从阴极排出的。因此，为了简化计算，假设水在阴极以饱和 水蒸气和液态的形式排出，在阳极只有饱和水蒸气，而无液态的水排出。在这 种情况下，尾气带走的热量0 3 = 4 8 3 7 5 w 。因此，电堆尾气带走的热量如果以 4 8 3 7 5 w 给出，应该相差不大。 2 4 2 2 热辐射 电堆热辐射可用以下公式计算：q 0 6 a 。( 4 一t 0 4 ) ，式中6 为电堆 黑度；为斯蒂芬一波尔兹曼常数；a 协为电堆辐射面积；瓦。为电堆温度；瓦 为环境温度。代入参数6 ；o 8 ，= 5 6 7 1 0 8 w ( , n 2 k 4 ) ，钆0 6 8 m 2 ， = 7 5 ，写t 2 5 ，可得辐射热：为2 1 8 w a 2 4 2 4 循环水冷却 电堆循环水带走的热量为：a q 0 ，= c p 嵋2 0 ( l 。一毛) ，其中c 为水的比热， p 为水的密度，2 0 为水的体积流量，毛，为电堆循环水出口温度，瓦为电堆循 环水入口温度。 2 4 。3 电堆的热平衡 电池堆稳定工作时，必须保证其内部的热平衡，即： q = q + q 。d + q i 。 由于电堆的实际工作效率一般在5 0 左右，也就是说，其输出功率为2 5 k w ， 产生的废热也为2 5k w ，即a q = 2 5k w 。而根据前面的计算可知，循环水带走 的热量q 0 。= 2 4 3 k w ，约占总热量的9 7 左右。因此，可以忽略电堆尾气、 热辐射对电堆散热的影响。故上式可简化为；q = q ，。 如果保持进出电堆的循环水温差为r = 1 0 ，并已知水的比热 c = 4 1 8 6 8 k j ( k g ) ，水的密度p = 1 0 0 0 k g m 3 ，且1k w = 3 6