車用燃料電池散熱性能實驗研究

白 靜，范惠芳，崔四齊，許 闖，張 毅，關斯澤，楊涵斐，賈一飛，耿樹偉，鄭慧凡

（中原工學院能源與環境學院，河南 鄭州 451191）

燃料電池作為一種能效轉換率高、清潔可靠的發電裝置，在交通、儲能、航天及軍事等領域有著廣泛應用[1-2]，在實現“碳達峰，碳中和”目標中發揮了關鍵作用。質子交換膜燃料電池（PEMFC）作為燃料電池的一種，具有能量轉換效率高、工作范圍廣、補充燃料方便快速、排放無污染等優點[3]，因此，在新能源汽車行業備受關注。燃料電池在汽車運行時參與反應的燃料和氧化劑中的化學能轉化為電能可達40%～60%，其余能量轉化為熱量[4]，如果不對散出的熱量進行適當的管理，將引起電池性能嚴重衰減和使用壽命下降，甚至引發熱失控等安全問題。為保證質子交換膜燃料電池高效安全運行，其工作溫度應控制在60～80 ℃[5]，且保證電池組溫差小于10 ℃，故質子交換膜燃料電池需要高效的熱管理。

目前，針對質子交換膜燃料電池熱管理的需求，國內外眾多研究人員在散熱方式上開展了廣泛的研究。質子交換膜燃料電池散熱方式有風冷[6-9]、液冷[10-13]、相變冷卻。風冷研究主要集中于空氣流道的設計和優化，由于空氣散熱系數低，使冷卻功率受到限制；相對于風冷，液冷具有較高的散熱效率，所需冷卻液流量更小，但液冷存在燃料電池內部電堆溫差較大、冷卻液有泄漏風險等問題；而相變冷卻利用了冷卻劑的相變潛熱，提高了系統的散熱能力，電堆均溫性得到提高。郭愛等[14]建立了燃料電池熱管理系統模型，研究了電堆電流、冷卻液流速、散熱片表面風速和旁路閥開度等因素對電堆及散熱器入口與出口溫度差的影響。Yan 等[15]建立了燃料電池沸騰散熱和液冷散熱仿真模型，結果表明采用沸騰散熱的壁面溫差更小，具有更好的溫度均勻性。Choi 等[16]研究了HFE-7100 在微型通道中的兩相傳熱及其冷卻性能，通過與單相水冷卻堆溫對比得出HFE-7100 兩相冷卻堆溫分布更加均勻，電池堆內部溫差小于0.5 ℃。Oro 等[17]提出一種帶有2個密封套管的微槽的扁平熱管進行燃料電池散熱的方法，結果表明該熱管在蒸發器部分耗散高達12 W，相當于1.8 W/cm2。Fly 等[18]將霧化后的液態水作為冷卻劑，模擬冷卻劑在陰極通道內部流動冷卻電池堆的過程，結果表明電堆內部溫差在4 ℃以內。Garrity等[19]開發了一種閉環兩相熱虹吸管微通道蒸發冷卻板，采用流動沸騰并以熱流密度為變量，結果表明最大熱通量達到了32 kW/m2。

通過文獻調研，發現質子交換膜燃料電池散熱系統得到了國內外學者的廣泛關注，兩相散熱方式具有散熱效率高、溫度均勻性好的特點，但是缺少對燃料電池散熱系統較為完整的研究。為了解決燃料電池熱負荷大、溫度要求精度高等問題，故本文搭建了一套車用燃料電池散熱系統實驗臺，研究兩相冷卻工質HFE-7100的散熱系統在不同流程換熱器和不同工質流量下的散熱特性，并與使用乙二醇水溶液的散熱系統進行對比，分析其散熱性能優劣。

1 理論分析

1.1 燃料電池系統熱量平衡

燃料電池穩定工作時電池堆溫度保持不變，產熱和散熱達到平衡，燃料電池系統的散熱途徑主要包括冷卻工質散熱、輻射散熱以及排出的廢水廢氣散熱，總散熱量[20]為：

式中，Qgen為燃料電池產熱量，kJ；Qdis為散熱量，kJ；Qcool為冷卻工質散熱量，kJ；Qrad為輻射散熱量，kJ；Qout為排水排氣散熱量，kJ。

1.2 散熱量分析

換熱器的散熱量[21]為：

式中，K為總傳熱系數，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；ΔTm為對數平均溫差，K；T1為熱流進口溫度，K；T2為熱流出口溫度，K；t1為冷流進口溫度，K；t2為冷流出口溫度，K。

1.2.1 兩相散熱分析

兩相冷卻工質通過過冷吸熱和相變吸熱進行冷卻，再通過換熱器將熱量傳遞至環境中，完成相變散熱和過冷散熱。其中，散熱量主要部分是相變散熱，兩相冷卻工質散熱量[20]為：

式中，m為兩相冷卻工質質量流量，kg/s；Δh為兩相冷卻工質汽化潛熱，kJ/kg；Cp為兩相冷卻工質液態比熱容，kJ/(kg·K)；ΔT為兩相冷卻工質過冷度，K。

1.2.2 液冷散熱分析

液冷冷卻工質通過吸收熱量升溫來提高顯熱進行冷卻，并通過換熱器將熱量傳遞給環境。液冷冷卻液散熱量[20]為：

式中，Cp為液冷冷卻工質比熱容，kJ/(kg·K)；m為液冷冷卻工質質量流量，kg/s；ΔT為液冷冷卻工質進出堆溫差，K。

能效比（energy efficiency rating，EER）表示能源轉換效率，EER 越大，系統的節能效果越好。EER的計算公式[22]如下：

式中，Q為散熱量，kW；P為總功率，kW；P1為水泵功率，kW；P2為風機功率，kW。

2 實驗設備與方案

2.1 實驗設備

圖1為車用燃料電池散熱系統循環原理圖。系統主要由水泵、加熱端、換熱器、風機、質量流量計、儲液罐、3 個視液鏡、8 個球閥和單向閥等組成，主要設備及相關參數如表1所示。

表1 系統主要設備及相關參數Table 1 Main equipment and related parameters of the system

圖1 車用燃料電池散熱系統循環原理圖Fig.1 Cycle schematic diagram of heat dissipation system for automotive fuel cells

實驗數據采集主要包括冷卻板進出口溫度和壓力、換熱器進出口溫度和壓力、工質流量和換熱器側風速。測量裝置包括壓力傳感器、溫度傳感器、風量測量儀、溫控器和質量流量計等，如表2 所示。測量儀器采用的記錄儀器為KSA 系列12 通道無紙記錄儀，數據記錄速率設置為1次/秒，能實時記錄溫度、壓力等參數。

表2 測量裝置明細表Table 2 Detailed list of measuring devices

2.2 實驗方案

根據標準GB/T 21361—2017《汽車用空調器》和GB/T 37123—2018《汽車用電驅動空調器》，實驗在焓差實驗室進行，采用單因素實驗法，分別以換熱器流程、工質流量及冷卻工質為單一變量分析系統散熱性能。實驗方案如表3所示，換熱器選取1、2、3、4 流程，工質流量選取3 L/min、3.5 L/min、4 L/min、4.5 L/min，以相同的環境溫度和風機轉速所測的實驗數據為一組。智能PID調節冷卻板出口工質溫度，目標值設為70 ℃（兩相工質HFE-7100 在標壓下沸點為61 ℃）來改變加熱功率，最大加熱功率為15 kW。

表3 實驗方案Table 3 Experimental plan

3 實驗結果與分析

3.1 流程布置對換熱器性能的影響

為了對比兩相散熱和液冷散熱在不同的換熱器流程布置下的散熱性能，選取環境溫度為35 ℃，工質流量為3.5 L/min，風機轉速百分比為80%，以及風速為3.4 m/s，切換各個球閥選取1、2、3、4流程分別進行實驗。

圖2(a)所示為兩種散熱方式散熱量在不同流程下的變化趨勢。隨著流程的增加，兩種散熱方式散熱量均逐漸增大后減小，且在3 流程散熱量最大，兩相散熱方式散熱量達到14.4 kW，分別比1、2流程提高了28.6%、8.8%，液冷散熱方式散熱量達到7.7 kW，分別比1、2 流程提高了20.1%、10.7%，其原因是冷卻工質在換熱器里流速變大且分布更均勻，散熱效率不斷提高。但切換到4流程后，兩種散熱方式散熱量均下降，這是因為換熱器結構更復雜，工質流動阻力增大，系統壓降增大，散熱效率受到影響。整體分析使用HFE-7100比使用乙二醇水溶液散熱效果好，其散熱量提升率在81.2%～98.8%之間。在換熱器4流程下，提升率達到 98.8%，原因是兩相冷卻工質在管內因相變導致體積變化較大，受到的管內阻力比液冷阻力小，兩相散熱量下降的幅度較小。

圖2(b)展示了兩種散熱方式在不同的換熱器流程下系統功率和系統EER 的變化。兩種散熱方式系統功率均隨流程數增多逐漸增大，原因是換熱器內部壓降變大，水泵的功耗增大。系統EER 隨流程數的增加逐漸增大后減小，且在3流程時達到最大，此時兩相散熱方式系統EER 比液冷散熱方式高69.4%。在3 到4 流程的過程中下降，原因是換熱器布置更加復雜，流動阻力及壓降變大，導致相對散熱量下降，系統功率增加進而系統EER下降。同時在切換到4流程后，兩相散熱方式系統EER相較于液冷散熱方式下降幅度平緩，原因是兩相冷卻工質因在管內發生相變，體積變化大，導致兩相冷卻工質受到的管內阻力小，系統功率小，散熱量大，系統能效比下降幅度小，提升率相對較高。

3.2 冷卻工質流量對換熱器性能的影響

為了對比兩種散熱方式下冷卻工質流量對散熱特性的影響，選取環境溫度為35 ℃，流程為3，風機轉速百分比為80%，以及風速為3.4 m/s，在工質流量分別為3 L/min、3.5 L/min、4 L/min、4.5 L/min條件下分別實驗。

圖3(a)所示為兩種散熱方式散熱量在不同冷卻工質流量下的變化趨勢。兩相散熱散熱量隨流量增加先逐漸增大而后增大幅度趨于平緩，散熱量由11.4 kW增大到15.7 kW，提升了37.8%；而液冷散熱量隨著流量增加而緩慢增大，散熱量由6.7 kW增大到7.5 kW，僅提升了11.9%。原因是隨工質流量增大，管內工質流速增大，總傳熱系數也隨之增大，導致散熱量增大，并對兩相散熱影響較大。由于工質流量過大，有一部分工質沒有與空氣充分換熱，導致兩相散熱量在工質流量為4～4.5 L/min時增加幅度變緩。在相同的工質流量下，兩相散熱量均大于液冷散熱量，且隨工質流量的增大，兩種散熱方式散熱量差值逐漸增大，差值由4.7 kW升至8.2 kW，提升率由71.8%增大到109%。這是由于管內工質流量的增大，兩相散熱系統中相變換熱所占比例增大，散熱量提高的幅度較大。

圖3 兩種散熱方式在不同的工質流量下的對比Fig.3 Comparison of two heat dissipation methods under different working fluid flow rates

圖3(b)展示了兩種散熱方式在不同的工質流量下系統功率和系統EER 的變化。隨著工質流量增大，泵轉速變大，導致兩種散熱方式系統功率均增大。兩相散熱系統EER 隨著流量的增大逐漸增大后穩定，原因是流量增加工質沒有與換熱器充分換熱，散熱效率增大趨勢變緩。液冷散熱系統EER則隨著流量的增大緩慢減小。在不同的工質流量下，兩相散熱系統EER 均大于液冷散熱系統，且隨著流量的增大，兩者的差值逐漸增大，差值由6.5 kW/kW 增大至10.4 kW/kW。且在4～4.5 L/min的工質流量下，兩相系統EER 幾乎不變，這是由于散熱量提高幅度小，而系統功率呈線性增加，導致系統EER 增加幅度較小。通過系統EER 分析發現，不能一味地增加流量來提高系統性能，此系統工質流量為4 L/min時為最佳流量，節能效果最好。

4 結 論

本文探究了車用燃料電池散熱量為15 kW時使用HFE-7100兩相散熱方式和乙二醇水溶液液冷散熱方式的散熱性能，對比了兩種散熱方式在不同換熱器流程和不同冷卻工質流量下對燃料電池的散熱量及系統EER的影響，得出結論如下：

（1）選用不同的換熱器流程，兩相散熱方式的散熱量和系統EER 均高于液冷散熱方式，散熱量在1、2、3、4 流程中提升率分別為81.2%、82.6%、86.6%、98.8%，系統EER 提升率均在65%以上。換熱器流程對系統有一定影響，根據實際情況選用換熱器流程數，為燃料電池散熱系統設計優化提供了有益的參考。

（2）在不同的冷卻工質流量下，兩相散熱方式的散熱量和系統EER 均大于液冷散熱方式，隨工質流量的增大，二者的差值逐漸增大，工質流量由3 L/min 增加至4.5 L/min 的過程中，兩相散熱方式散熱量相較于液冷散熱方式提升了71.8%～109%。但不能一味地增加工質流量，在保證一定的散熱量基礎上要考慮系統節能效果，該系統工質流量為4 L/min 時最佳，達到了一定的節能效果，在車用燃料電池領域具有一定的適用性和一定的參考價值。