车用燃料电池散热性能实验研究

白 静，范惠芳，崔四齐，许 闯，张 毅，关斯泽，杨涵斐，贾一飞，耿树伟，郑慧凡

（中原工学院能源与环境学院，河南 郑州 451191）

燃料电池作为一种能效转换率高、清洁可靠的发电装置，在交通、储能、航天及军事等领域有着广泛应用[1-2]，在实现“碳达峰，碳中和”目标中发挥了关键作用。质子交换膜燃料电池（PEMFC）作为燃料电池的一种，具有能量转换效率高、工作范围广、补充燃料方便快速、排放无污染等优点[3]，因此，在新能源汽车行业备受关注。燃料电池在汽车运行时参与反应的燃料和氧化剂中的化学能转化为电能可达40%～60%，其余能量转化为热量[4]，如果不对散出的热量进行适当的管理，将引起电池性能严重衰减和使用寿命下降，甚至引发热失控等安全问题。为保证质子交换膜燃料电池高效安全运行，其工作温度应控制在60～80 ℃[5]，且保证电池组温差小于10 ℃，故质子交换膜燃料电池需要高效的热管理。

目前，针对质子交换膜燃料电池热管理的需求，国内外众多研究人员在散热方式上开展了广泛的研究。质子交换膜燃料电池散热方式有风冷[6-9]、液冷[10-13]、相变冷却。风冷研究主要集中于空气流道的设计和优化，由于空气散热系数低，使冷却功率受到限制；相对于风冷，液冷具有较高的散热效率，所需冷却液流量更小，但液冷存在燃料电池内部电堆温差较大、冷却液有泄漏风险等问题；而相变冷却利用了冷却剂的相变潜热，提高了系统的散热能力，电堆均温性得到提高。郭爱等[14]建立了燃料电池热管理系统模型，研究了电堆电流、冷却液流速、散热片表面风速和旁路阀开度等因素对电堆及散热器入口与出口温度差的影响。Yan 等[15]建立了燃料电池沸腾散热和液冷散热仿真模型，结果表明采用沸腾散热的壁面温差更小，具有更好的温度均匀性。Choi 等[16]研究了HFE-7100 在微型通道中的两相传热及其冷却性能，通过与单相水冷却堆温对比得出HFE-7100 两相冷却堆温分布更加均匀，电池堆内部温差小于0.5 ℃。Oro 等[17]提出一种带有2个密封套管的微槽的扁平热管进行燃料电池散热的方法，结果表明该热管在蒸发器部分耗散高达12 W，相当于1.8 W/cm2。Fly 等[18]将雾化后的液态水作为冷却剂，模拟冷却剂在阴极通道内部流动冷却电池堆的过程，结果表明电堆内部温差在4 ℃以内。Garrity等[19]开发了一种闭环两相热虹吸管微通道蒸发冷却板，采用流动沸腾并以热流密度为变量，结果表明最大热通量达到了32 kW/m2。

通过文献调研，发现质子交换膜燃料电池散热系统得到了国内外学者的广泛关注，两相散热方式具有散热效率高、温度均匀性好的特点，但是缺少对燃料电池散热系统较为完整的研究。为了解决燃料电池热负荷大、温度要求精度高等问题，故本文搭建了一套车用燃料电池散热系统实验台，研究两相冷却工质HFE-7100的散热系统在不同流程换热器和不同工质流量下的散热特性，并与使用乙二醇水溶液的散热系统进行对比，分析其散热性能优劣。

1 理论分析

1.1 燃料电池系统热量平衡

燃料电池稳定工作时电池堆温度保持不变，产热和散热达到平衡，燃料电池系统的散热途径主要包括冷却工质散热、辐射散热以及排出的废水废气散热，总散热量[20]为：

式中，Qgen为燃料电池产热量，kJ；Qdis为散热量，kJ；Qcool为冷却工质散热量，kJ；Qrad为辐射散热量，kJ；Qout为排水排气散热量，kJ。

1.2 散热量分析

换热器的散热量[21]为：

式中，K为总传热系数，W/(m2·K)；A为传热面积，m2；ΔTm为对数平均温差，K；T1为热流进口温度，K；T2为热流出口温度，K；t1为冷流进口温度，K；t2为冷流出口温度，K。

1.2.1 两相散热分析

两相冷却工质通过过冷吸热和相变吸热进行冷却，再通过换热器将热量传递至环境中，完成相变散热和过冷散热。其中，散热量主要部分是相变散热，两相冷却工质散热量[20]为：

式中，m为两相冷却工质质量流量，kg/s；Δh为两相冷却工质汽化潜热，kJ/kg；Cp为两相冷却工质液态比热容，kJ/(kg·K)；ΔT为两相冷却工质过冷度，K。

1.2.2 液冷散热分析

液冷冷却工质通过吸收热量升温来提高显热进行冷却，并通过换热器将热量传递给环境。液冷冷却液散热量[20]为：

式中，Cp为液冷冷却工质比热容，kJ/(kg·K)；m为液冷冷却工质质量流量，kg/s；ΔT为液冷冷却工质进出堆温差，K。

能效比（energy efficiency rating，EER）表示能源转换效率，EER 越大，系统的节能效果越好。EER的计算公式[22]如下：

式中，Q为散热量，kW；P为总功率，kW；P1为水泵功率，kW；P2为风机功率，kW。

2 实验设备与方案

2.1 实验设备

图1为车用燃料电池散热系统循环原理图。系统主要由水泵、加热端、换热器、风机、质量流量计、储液罐、3 个视液镜、8 个球阀和单向阀等组成，主要设备及相关参数如表1所示。

表1 系统主要设备及相关参数Table 1 Main equipment and related parameters of the system

图1 车用燃料电池散热系统循环原理图Fig.1 Cycle schematic diagram of heat dissipation system for automotive fuel cells

实验数据采集主要包括冷却板进出口温度和压力、换热器进出口温度和压力、工质流量和换热器侧风速。测量装置包括压力传感器、温度传感器、风量测量仪、温控器和质量流量计等，如表2 所示。测量仪器采用的记录仪器为KSA 系列12 通道无纸记录仪，数据记录速率设置为1次/秒，能实时记录温度、压力等参数。

表2 测量装置明细表Table 2 Detailed list of measuring devices

2.2 实验方案

根据标准GB/T 21361—2017《汽车用空调器》和GB/T 37123—2018《汽车用电驱动空调器》，实验在焓差实验室进行，采用单因素实验法，分别以换热器流程、工质流量及冷却工质为单一变量分析系统散热性能。实验方案如表3所示，换热器选取1、2、3、4 流程，工质流量选取3 L/min、3.5 L/min、4 L/min、4.5 L/min，以相同的环境温度和风机转速所测的实验数据为一组。智能PID调节冷却板出口工质温度，目标值设为70 ℃（两相工质HFE-7100 在标压下沸点为61 ℃）来改变加热功率，最大加热功率为15 kW。

表3 实验方案Table 3 Experimental plan

3 实验结果与分析

3.1 流程布置对换热器性能的影响

为了对比两相散热和液冷散热在不同的换热器流程布置下的散热性能，选取环境温度为35 ℃，工质流量为3.5 L/min，风机转速百分比为80%，以及风速为3.4 m/s，切换各个球阀选取1、2、3、4流程分别进行实验。

图2(a)所示为两种散热方式散热量在不同流程下的变化趋势。随着流程的增加，两种散热方式散热量均逐渐增大后减小，且在3 流程散热量最大，两相散热方式散热量达到14.4 kW，分别比1、2流程提高了28.6%、8.8%，液冷散热方式散热量达到7.7 kW，分别比1、2 流程提高了20.1%、10.7%，其原因是冷却工质在换热器里流速变大且分布更均匀，散热效率不断提高。但切换到4流程后，两种散热方式散热量均下降，这是因为换热器结构更复杂，工质流动阻力增大，系统压降增大，散热效率受到影响。整体分析使用HFE-7100比使用乙二醇水溶液散热效果好，其散热量提升率在81.2%～98.8%之间。在换热器4流程下，提升率达到 98.8%，原因是两相冷却工质在管内因相变导致体积变化较大，受到的管内阻力比液冷阻力小，两相散热量下降的幅度较小。

图2(b)展示了两种散热方式在不同的换热器流程下系统功率和系统EER 的变化。两种散热方式系统功率均随流程数增多逐渐增大，原因是换热器内部压降变大，水泵的功耗增大。系统EER 随流程数的增加逐渐增大后减小，且在3流程时达到最大，此时两相散热方式系统EER 比液冷散热方式高69.4%。在3 到4 流程的过程中下降，原因是换热器布置更加复杂，流动阻力及压降变大，导致相对散热量下降，系统功率增加进而系统EER下降。同时在切换到4流程后，两相散热方式系统EER相较于液冷散热方式下降幅度平缓，原因是两相冷却工质因在管内发生相变，体积变化大，导致两相冷却工质受到的管内阻力小，系统功率小，散热量大，系统能效比下降幅度小，提升率相对较高。

3.2 冷却工质流量对换热器性能的影响

为了对比两种散热方式下冷却工质流量对散热特性的影响，选取环境温度为35 ℃，流程为3，风机转速百分比为80%，以及风速为3.4 m/s，在工质流量分别为3 L/min、3.5 L/min、4 L/min、4.5 L/min条件下分别实验。

图3(a)所示为两种散热方式散热量在不同冷却工质流量下的变化趋势。两相散热散热量随流量增加先逐渐增大而后增大幅度趋于平缓，散热量由11.4 kW增大到15.7 kW，提升了37.8%；而液冷散热量随着流量增加而缓慢增大，散热量由6.7 kW增大到7.5 kW，仅提升了11.9%。原因是随工质流量增大，管内工质流速增大，总传热系数也随之增大，导致散热量增大，并对两相散热影响较大。由于工质流量过大，有一部分工质没有与空气充分换热，导致两相散热量在工质流量为4～4.5 L/min时增加幅度变缓。在相同的工质流量下，两相散热量均大于液冷散热量，且随工质流量的增大，两种散热方式散热量差值逐渐增大，差值由4.7 kW升至8.2 kW，提升率由71.8%增大到109%。这是由于管内工质流量的增大，两相散热系统中相变换热所占比例增大，散热量提高的幅度较大。

图3 两种散热方式在不同的工质流量下的对比Fig.3 Comparison of two heat dissipation methods under different working fluid flow rates

图3(b)展示了两种散热方式在不同的工质流量下系统功率和系统EER 的变化。随着工质流量增大，泵转速变大，导致两种散热方式系统功率均增大。两相散热系统EER 随着流量的增大逐渐增大后稳定，原因是流量增加工质没有与换热器充分换热，散热效率增大趋势变缓。液冷散热系统EER则随着流量的增大缓慢减小。在不同的工质流量下，两相散热系统EER 均大于液冷散热系统，且随着流量的增大，两者的差值逐渐增大，差值由6.5 kW/kW 增大至10.4 kW/kW。且在4～4.5 L/min的工质流量下，两相系统EER 几乎不变，这是由于散热量提高幅度小，而系统功率呈线性增加，导致系统EER 增加幅度较小。通过系统EER 分析发现，不能一味地增加流量来提高系统性能，此系统工质流量为4 L/min时为最佳流量，节能效果最好。

4 结 论

本文探究了车用燃料电池散热量为15 kW时使用HFE-7100两相散热方式和乙二醇水溶液液冷散热方式的散热性能，对比了两种散热方式在不同换热器流程和不同冷却工质流量下对燃料电池的散热量及系统EER的影响，得出结论如下：

（1）选用不同的换热器流程，两相散热方式的散热量和系统EER 均高于液冷散热方式，散热量在1、2、3、4 流程中提升率分别为81.2%、82.6%、86.6%、98.8%，系统EER 提升率均在65%以上。换热器流程对系统有一定影响，根据实际情况选用换热器流程数，为燃料电池散热系统设计优化提供了有益的参考。

（2）在不同的冷却工质流量下，两相散热方式的散热量和系统EER 均大于液冷散热方式，随工质流量的增大，二者的差值逐渐增大，工质流量由3 L/min 增加至4.5 L/min 的过程中，两相散热方式散热量相较于液冷散热方式提升了71.8%～109%。但不能一味地增加工质流量，在保证一定的散热量基础上要考虑系统节能效果，该系统工质流量为4 L/min 时最佳，达到了一定的节能效果，在车用燃料电池领域具有一定的适用性和一定的参考价值。