燃料电池汽车散热系统的设计

王商商 袁世豪 张旭

摘要：燃料电池汽车因为其自身特性的原因，在散热上同传统内燃机汽车相比面临着更严峻的问题，散热器的散热可以考虑通过加大风扇的功率、增加散热器的面积以及改变散热器的布置位置来实现。

关键词：燃料电池;汽车散热系统;设计与运用

1燃料电池的原理

随着燃料电池技术的不断成熟，燃料电池性能的逐渐提高，燃料电池所提供的功率比例越来越大，这样就可以减少电池的容量，从而减轻车重、提高动力性等。但为了回收制动能量，还需要一定数量的电池，而电池只捉供整车所需功率中很小的一部分。燃料电池作为主动力源，电池作为辅助动力源，车辆需要的功率主要由燃料电池提供，电池只是在燃料电池启动、汽车爬坡和加速时提供功率，在汽车制动时回收制动能量。采用这种混合驱动型式的汽车即为功率混合型燃料电池汽车。由于镍一氢电池或锂离子电池比能量及比功率较高，从而可以减少电池组的体积和重量，现在越来越多地被用作燃料电池混合动力汽车的电池。燃料电池汽车散热面临的困难质子交换膜燃料电池中质子交换膜是核心部件，其性能的好坏直接影响到电池的性能和寿命。在燃料电池中由于其内部的不可逆性，50%左右的能量耗散为热量，这一部分热量使电池温度上升，质子交换膜脱水、收缩甚至破裂导致电池的性能下降，影响电池的寿命，其理想的运行温度大约在65℃左右。

2燃料电池中的热量来源

单独的燃料电池堆是不能发电并应用于汽车的，它必须和燃料供给与循环系统、氧化剂供给系统、水/热管理系统和一个能使上述各系统协调工作的控制系统组成燃料电池发电系统，简称燃料电池系统，才能对外输出功率。目前最成熟的技术还是以纯氢为燃料，而且系统结构相对简单，仅由氢源、稳压阀和循环回路组成。（1）由于电池的不可逆性而产生的化学反应热;（2）由于欧姆极化而产生的焦耳热;（3）加湿气体带入的热量;（4）吸收环境辐射热量。其中，由于电池的不可逆性产生的废热占到转化的化学能的50%甚至更多。电池排出的尾气、电池堆的辐射和循环水可以从电池堆中带走热量。由于排气温度只能在70℃左右，因此通过排气的散热远远不能同传统内燃机在几百度的排气温度下所能达到的效果相比，实际计算表明燃料电池的排气散热只占总散热量的3%～5%左右。对于辐射散热，不管是燃料电池发动机还是内燃机，只占很小一部分，而对于燃料电池发动机而言，辐射散热大约占1%左右。因此，大约有95%的热量需要通过冷却水来带走，而对于发动机而言这个数值只有50%左右，由此可见燃料电池发动机的散热量相对较高。

燃料电池发动机的冷却水是工作在环境温度和电池的工作温度之间，这个温差明显要小于内燃机冷却水工作的温差，相差大约30℃，可见燃料电池散热器的散热更为艰难。燃料电池汽车的散热解决方案散热器的散热同其散热面积、风速、进出口水温差、空气侧与水侧的温差成正比，在进出口温差不变的情况下，若要使散热量增大则需要通过下面的途径来达到。增大进气风速在其他外在条件不变的情况下，想要增大风速就需要增大风扇的功率，同时为了布置方便，改进功率后风扇的体积不能太大。根据设计计算和试验研究，选用了两个各为800W，共1.6kW的风扇，较好地解决了散热问题，但这样带来的问题是附属设施功耗的增加。增大散热面积为了增大散热面积，需要更大的散热器，这同样带来了一个散热器的布置问题。汽车的前舱空间比较紧凑，增大散热器面积在汽车前舱的布置中将会非常困难。某型燃料电池汽车采用了散热器分开布置的方式。它采用两个散热器依次布置在进气隔栅后面;同时考虑到若将冷凝器布置在散热器后面将遇到空间不足的问题，空气在经过散热器后已经有很大的温升，此时作为冷凝器的进气已经不太适合，所以将冷凝器布置在侧面。

采用分块布置的方式可以有效解决单块大散热器不易布置的问题，但是同样也面临着布置这些散热器所面临的空间不足以及进气口处理的问题，这需要在车身的形状上进行相关改动以进行配合。改变散热器的位置若将冷凝器置于散热器之前，空气在经过冷凝器之后将会产生一定的温升，这样将使进入散热器的空气温度同冷却水温度之间的差距进一步缩小，导致了换热更加困难。除了上述方案也可以采用，将冷凝器置于散热器之后，优先考虑到电池堆的散热，采用两个冷凝器散热的方式，这样将有效地降低散热器气侧的温度，有利于电池堆的散热，同时两个冷凝器也能够满足空调换热的需要。对于汽车而言，燃料电池是一种将燃料和氧化剂的化学能通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。这种装置的最大特点是：反应过程中不涉及燃烧，因此其能量转换效率不受卡诺循环的限制，理想能量转换效率高達80%以上，实际使用效率则是普通内燃机的2～3倍。燃料电池是电学反应系统，主要产生电能，并把氢气和氧气转化成水。内燃机则主要产生热能，只有一小部分变成有用的机械功，而且燃烧尾气成分复杂，包括未反应的有机物，燃料电池的高效表明，同样使用化石燃料，取得单位有用功所排放的污染气体，燃料电池系统比热机系统要低。用化石燃料如煤、石油、天然气发电，电解水产生氢气做燃料电池的燃料，这种途径也能减少二氧化碳的总排放量。如使用水电、核电、风电和太阳能发电，则不存在污染空气的问题。总而言之，燃料电池动力交通工具，对环境的意义是明显的，因为燃料电池几乎没有NCXSX和粉尘排放。

3结束语

燃料电池汽车以其众多优点代表了未来汽车的发展方向，但仍然面临着诸多困难，其工作特性决定了燃料电池发动机的散热要比传统内燃机汽车更为困难。为了解决这个问题，我们可以考虑下面3个方案：大功率的风扇;增大散热面积;散热器位置的改变。相信随着对燃料电池工作温度范围窄等缺点。使用超级电容作为辅助动力源可以缓解加速、爬坡时对动力电池的大电流冲击，并能及时回收制动时的能量，可以大电流充放电，且循环寿命长，因此超级电容将成为以后燃料电池动力系统的一种方案。

参考文献

[1]曹明伟.纯电动汽车电池组被动式液冷散热系统仿真分析与优化[D].合肥工业大学，2017.

[2]张程，金涛.新能源汽车散热风扇驱动系统仿真研究[J].中国测试，2013，39（01）：101-104.