车载燃料电池散热部件排布方式热管理研究

贾秋红,朱 灵,崔垚鹏,杨孝才

(1.重庆理工大学 机械工程学院,重庆 400054;2.中国汽车工程研究院股份有限公司,重庆 401122)

0 引言

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有效率高、噪音低、零碳排等特点,被视为交通、发电、无人机等领域中能源动力模块的未来最佳发展方向[1-2]。近年来,国内各大整车生产企业如东风、一汽丰田、吉利、上汽红岩、宇通等都各自推出旗下搭载PEMFC的汽车。鸿力氢动、亿华通、东方电气、上海捷氢等主打PEMFC生产的公司纷纷成立,PEMFC发展备受重视。PEMFC的工作原理为电解水逆反应,工作温度一般在60～80 ℃,在反应过程中有50%左右的能量会转化为热能[3]。如果这部分热能无法及时排出,将导致电池内部温度升高,造成膜穿孔或者催化剂降解,对PEMFC造成不可逆的伤害,严重影响其性能。

目前,国内外主要是通过建立模型并结合试验对车载PEMFC热管理进行研究。Wang等[4]对100 kW车载PEMFC建立热管理模型,研究冷却液流动顺序为散热器到冷却水箱情况下不同环境温度对冷却液进出口温度的影响。Li等[5]建立PEMFC热管理系统模型,研究冷却液流动顺序是由冷却水箱到散热器时,冷却水泵与散热器之间的冷却协调能力问题。程子枫等[6]分别建立节温器以 “一进两出”与“两进一出”两种形式对PEMFC热管理系统研究,结果表明在功率变化情况下,“两进一出”的布置形式更为合理。Xu等[7]基于车载PEMFC热管理系统部件之间传热相关特性建立模型,开发车辆综合热管理系统,并选取车辆相关的3种稳态工况和2种稳态工况进行模拟。上述研究主要集中在建立模型并研究热管理系统部件对其内部温度的影响,对实际情况下环境温度变化对车载PEMFC散热效果的影响未见相关成果。目前,车载PEMFC一般通过水冷的方式对内部进行热量转移,热管理系统部件排布顺序能够直接影响冷却液进出口温度,进而对PEMFC工作稳定性以及输出电压造成影响。在上述研究中,关于散热器与冷却水箱在内的主要热管理系统部件的布置形式对内部温度影响以及输出研究成果较少。

本文就2种较为极端的环境温度变化,针对车载PEMFC在散热器与冷却水箱的不同排布顺序,在2种不同工况运行过程中,研究冷却液进口温度、冷却液出口温度、冷却液进出口温差、输出电压,为后续车载PEMFC设计与研究提供依据。

1 车载PEMFC冷却系统分析

车载PEMFC热管理系统主要由冷却液水箱、散热器、冷却液循环泵等部件组成,其作用是调节PEMFC内部温度[8]。PEMFC内部反应为化学能转化为电能与热能,PEMFC热管理系统主要负责转移其内部反应产生的多余热量,维持内部温度在合理范围。

PEMFC反应过程中大部分热量由热管理系统转移,少部分热量由尾排与环境热辐射2种方式直接释放[9]。现阶段,车载PEMFC热管理系统冷却过程一般是冷却液在循环泵的动力作用下进入PEMFC中,吸收PEMFC内部多余热量并转移至散热器中,通过冷却风扇将热量散发至外部环境中。在此周而复始的过程中,冷却液进出口温度直接决定内部温度,而冷却液进出口温度主要由散热器与冷却液水箱的相关参数、环境温度决定。

2 车载PEMFC热管理系统建模

根据如图1所示的热管理系统工作原理建立集总参数动态模型,包括PEMFC电压模型、温度模型及冷却组件热管理模型等。研究车载PEMFC变载工况运行过程中,不同环境温度下热管理系统部件布置形式对PEMFC的影响。

图1 车载PEMFC热管理系统示意图

2.1 PEMFC电压模型

根据吉布斯自由能变化过程特征,并结合能斯特方程求得能斯特电压Enernst。实际输出电压Vcell会受到包括活化过电压Vact,欧姆过电压Vohm,浓差过电压Vcon3种极化电压的影响[10],通常会低于能斯特电压。由此可得,单电池实际输出电压为

Vcell=Enernst-Vact-Vohm-Vcon

(1)

能斯特电压可表示为

Enernst=1.229-(8.5×10-4)×(Tst-298.15)+

4.308 5×10-5Tst(lnPH2,an+0.5lnPO2,ca)

(2)

式中：Tst为PEMFC温度;PH2,an为阳极氢气分压;PO2,ca为阴极氧气分压。

活化过电压Vact又称为电化学极化,根据塔菲尔电化学方程以及亨利定律,可得其表达式为

Vact=ξ1+δTst+ξ3TstlnIst+ξ4TstlnCO2

(3)

δ=ξ2+2×10-4lnAcell+4.3×10-5lnCH2

(4)

CO2=1.97×10-7×PO2,ca×exp(498/Tst)

(5)

CH2=9.17×10-7×PH2,an×exp(-77/Tst)

(6)

式中：ξj(j=1,2,3,4)为半经验系数;Ist为PEMFC电流;Acell为质子交换膜的有效活化面积;CO2为阴极氧气浓度;CH2为阳极氢气浓度。

欧姆过电压Vohm可表示为

(7)

式中：ρ为膜导电率,可由式(8)计算得到。

ρ=(5.14×10-6σ-3.26×10-5)×

exp[θ(1/303-1/Tst)]

(8)

式中：σ为膜含水量;l为PEMFC质子交换膜厚度;θ为经验常数。

浓差过电压Vcon由经验公式表达

Vcon=-0.016ln(i/imax)

(9)

式中：i为电流密度,i=Ist/Acell;imax为最大电流密度。

为了提高电池输出电压,一般由n片单电池串联组成PEMFC使用,PEMFC输出功率为

Pst=nVcellIst

(10)

2.2 PEMFC温度模型

在车载PEMFC内部反应过程中转化为热量的部分能量中,95%左右需要通过冷却液强制冷却的方式转移至外部环境中,5%左右以尾气排放与对外热辐射的方式转移。PEMFC阴极输入气体一般为空气(O2、N2分别约占21%和79%)以及少量气态水,忽略其他成分;假设阳极输入为纯净氢气并完全反应。根据热力学第一定律可以得到PEMFC热力学平衡方程为[11]：

(11)

式中：mst为系统质量;cp,st为系统比热容;Qtot为反应气体总功率;Qout为尾气转移热功率;Qamb为对外热辐射功率;Qcool为强制冷却转移的热功率。

反应气体总功率等于氢气焓变ΔH与单位时间氢气消耗速率Nan,H2,react之积：

Qtot=ΔH×Nan,H2,react

(12)

尾排中,一般包括未参与反应的气体与生成的水,尾排转移热功率可描述为

Qout=(Nan,H2O,outcp,H2O,g+Nca,O2,outcp,O2+

Nca,N2,outcp,N2+Nca,H2O,outcp,H2O,g+

Nca,H2O,lcp,H2O,l)(Tst-To)

(13)

式中：Nan,H2O,out与Nca,H2O,out分别为单位时间阳极与阴极气态水排放量;Nca,O2,out与Nca,N2,out分别为单位时间阴极氧气与氮气排放量;Nca,H2O,l为单位时间阳极液态水排放量;cp,H2O,g为气态水摩尔比热容;cp,O2为氧气比热容;cp,N2为氮气比热容;cp,H2O,l为液态水摩尔比热容。

PEMFC内部温度一般高于环境温度,根据热力学第二定律,PEMFC对外部环境进行热量传递,该过程可表示为

Qamb=(Tst-Tamb)/Rt

(14)

式中：Tamb为环境温度;Rt为系统热阻。

经过冷却液强制冷却转移热功率一般可表示为

Qcool=Wclcp,H2O,l×(Tst-Tst,cl,in)

(15)

式中：Wcl为冷却液流量;Tst,cl,in为PEMFC冷却液入口温度。

2.3 冷却组件热管理模型

2.3.1循环泵模型

车载PEMFC热管理系统冷却液循环泵的主要作用是为冷却液循环提供动力。循环泵的主要动力来源为驱动电机,由于车载PEMFC冷却液循环泵一般工作时间较长,所以通常忽略其瞬态特性,仅对其稳态输入输出进行分析建模：

(16)

式中：km为循环泵转速-流量系数;kt为电机转矩常数;kf为摩擦因数;Rcl为电机绕组电阻。

2.3.2冷却水箱模型

车载PEMFC热管理系统冷却水箱的主要作用是储存和补充冷却液,稳定热管理系统内部压力和冷却液温度[12]。冷却液流经冷却水箱,先后与箱内冷却液与外部环境进行热交换[13],可表示为

(17)

krv(Trv,cl,out-Tamb)

(18)

式中：mrv为冷却水箱质量;mrv,w为冷却水箱内冷却液质量;cp,rv为水箱材料比热容;cH2O,l为每千克去离子水比热容;Tin,cl为流入冷却水箱冷却液温度;Trv,cl,in为冷却水箱内部冷却液温度;Trv,cl,out为冷却水箱流出冷却液温度;krv为冷却水箱自然对流换热系数。

2.3.3散热器模型

现阶段,车载散热器主要通过内部冷却风扇使空气强制对流为冷却液降温,维持冷却液进入PEMFC时的温度稳定性表达式为：

Waircair,g(Tra,air-Tamb)

(19)

式中：mra为散热器内冷却液质量;cair,g为每千克空气比热容;Tra,cl,IN为散热器冷却液流入温度;Tra,cl为散热器冷却液流出温度;Tra,air为散热器冷却空气出口处温度;Wair为冷却空气流量。

根据上述公式在Matlab/Simulink仿真平台建立如图2所示的车载PEMFC热管理系统集总参数动态模型。

图2 车载PEMFC热管理系统模型示意图

2.4 实验验证

车载PEMFC实验样机以及相关参数如图3与表1所示。

图3 车载PEMFC实验样机

表1 PEMFC相关参数

图3所示的车载PEMFC实验样机主要包括：锐格新能源科技有限公司FCE-100A型号测试台架并配套上位机,智恩测试技术有限公司N52150回馈式电子负载等实验设备。验证实验采取输入不同电流的方式进行,设置上位机每0.2 s分别采集1次PEMFC冷却液进出口温度与流量,PEMFC负载电压与功率,PEMFC阴阳极进气压力、流量、温度等数据。一般将PEMFC冷却液出口温度看作PEMFC温度[14]。

在验证实验中,为获得较为明确的验证效果,每间隔50 s选取PEMFC负载功率、冷却液流量、温度等对应数据,并与仿真结果进行对比,其结果如图4所示。

分析仿真结果与实验数据发现,PEMFC温度最大误差为0.61%,PEMFC功率最大误差为4.16%,冷却液流量最大误差为6.25%,误差在允许范围,说明本文所建立的模型正确,能用于后续研究。

图4 PEMFC功率、温度及冷却液流量响应曲线

3 CHTC变载工况分析

3.1 车载PEMFC预设目标车辆

研究对象为燃料电池城市客车与燃料电池普通客车所用车载PEMFC。根据市场定位及设计要求,2种设计车型相关参数如表2所示。

表2 2种车型相关参数

3.2 CHTC工况及车载PEMFC对应负载功率分析

车辆行驶过程中,车载PEMFC负载功率Pw主要包括牵引功率、功率损失、整车温度控制3个部分,本文研究主要集中在前二者。功率损失主要体现在2个方面：车载PEMFC系统内部,包括燃料电池系统、DC/DC变换器、驱动电机;车辆底盘传动系统。

汽车行驶速度v与牵引功率Pt的关系为：

Pt=(mgfcosα+0.5τCDAv2+ma+mgsinα)

(20)

式中：m为整车质量;g为重力加速度;f为车轮滚动阻力系数;α为道路坡度;τ为空气密度;CD为空气阻力系数;A为迎风面积;a为行驶加速度。

参考中国工业和信息化部对汽车在中国实际运行路况行驶的国家标准,中国城市客车行驶工况(CHTC-B)分为低速与高速2个速度区间,中国普通客车行驶工况(CHTC-C)分为市区、城郊与高速3个速度区间。

图5所示,CHTC-B速度分布较为均匀,对应车载PEMFC负载功率变化较为平缓;图6所示,CHTC-C前后部分有明显速度变化,对应车载PEMFC负载功率出现较大的数据波动。对2种工况进行模拟实验,结果能够有效说明不同工况下热管理部件排布顺序对车载PEMFC冷却效果以及输出电压的影响。

图5 CHTC-B工况及对应PEMFC负载功率

图6 CHTC-C工况及对应PEMFC负载功率

4 车载PEMFC热管理部件布置形式分析

本文主要关注车载PEMFC热管理系统散热问题。如图7与图8所示,按照冷却液流经顺序,将散热器在前、冷却水箱在后的排布方式称为R-T排布;将冷却水箱在前、散热器在后的排布方式称为T-R排布。

为提高PEMFC内部温度场的均匀性,维护系统工作稳定性,一般要求冷却液进出口温差保持在10 ℃范围内[16]。结合前文分析,通过冷却液转移热量占比总热量95%以上,根据PEMFC冷却液进出口温差可计算冷却液转移热量与冷却液流量近似值。

图7 R-T排布示意图 图8 T-R排布示意图

参考中国气象局出版《中国气候公报(2021年)》,全国全年大部分天数气温在0～40 ℃。选取环境温度均匀升高的0～10 ℃与30～40 ℃ 2个区间为研究区间,研究CHTC工况在该研究区间内的冷却液进出口温度与温差变化,以及对应输出电压。

在大气压力环境下,空气的比热容在0～60 ℃范围内均为1.005 kJ/(kg·K),散热器进出口空气温差在19.73 ℃左右。假设在同一工况相同速度区间内,散热器内冷却液流量、空气流量、转移的能量都保持不变,设置散热器空气进口温度为环境温度,空气出口温度高于环境温度20 ℃。

在车载PEMFC 2种工况运行过程中,选取PEMFC冷却液出口处温度为70 ℃,其他冷却部件中冷却液初始温度为65 ℃,并在同一工况区间内选取同样的冷却液流量与散热器冷却空气流量。

4.1 CHTC-B热管理部件排布分析

根据CHTC-B运行工况分析,该工况的2个速度区间内车辆行驶速度较低,加速度分布较为均匀,负载功率鲜有超过40 kW的情况。为减少仿真实验中冷却液与散热器冷却空气对结果的影响,通过PEMFC冷却液进出口温差为5～7 ℃,计算得到该工况运行过程中冷却液流量为0.11 kg/s,对应散热器冷却空气流量为0.04 kg/s。

如图9与图10所示,T-R排布方式中,PEMFC冷却液出口温度在69.1～70 ℃;冷却液进口温度在62.5～62.9 ℃;冷却液进出口温差在6.3～7.4 ℃;输出电压在380.5～381.2 V。在R-T排布中,PEMFC冷却液进口与出口温度都高于T-R排布时,冷却液出口温度在69.5～71 ℃,冷却液进口温度在64.3～64.8 ℃;冷却液进出口温差在4.8～6.4 ℃;输出电压在380.8～382 V。

图9 CHTC-B工况PEMFC冷却液进口与出口温度

图10 CHTC-B工况PEMFC冷却液进出口温差及输出电压

环境温度在不同区间变化时对不同冷却部件排布之间的各种参数影响较小。在环境温度变化过程中,车辆行驶速度较低、行驶加速度较小的运行工况下,车载PEMFC热管理部件排布方式选取冷却液出口温度相对平缓、进出口温差波动范围较小的T-R排布更为合理。

PEMFC负载功率越大,其内部生成热量越多[9],CHTC-B高速部分负载功率相对增加,产生热量较多,进而导致冷却液进口温度与输出电压有增长趋势。结合该工况运行过程输出功率情况分析,认为其为合理趋势。

4.2 CHTC-C热管理部件排布分析

根据CHTC-C运行工况分析,3个速度区间车辆行驶速度与加速度都有较大波动,高速区间中车辆行驶速度较大。根据3个速度区间车载PEMFC平均负载功率与PEMFC冷却液进出口温差为5～7 ℃计算,市区速度区间冷却液流量为0.08 kg/s,散热器冷却空气流量0.005 kg/s;城郊速度区间冷却液流量为0.24 kg/s,散热器冷却空气流量0.06 kg/s;高速区间冷却液流量为1.95 kg/s,散热器冷却空气流量0.6 kg/s。

如图11与图12所示,在T-R排布方式中,PEMFC冷却液出口温度在67.3～71.8 ℃;冷却液进口温度在63.1～64.3 ℃;冷却液进出口温差在2.9～7.7 ℃;输出电压在379.1～382.6 V。在R-T排布中,PEMFC冷却液进口与出口温度都高于T-R排布时,冷却液出口温度在68.8～73.1 ℃;冷却液进口温度在64.1～65.8 ℃;冷却液进出口温差集中在2.9～7.5 ℃;输出电压在380.2～383.6 V。

图11 CHTC-C工况PEMFC冷却液进口与出口温度

图12 CHTC-C工况PEMFC冷却液进出口温差及输出电压

根据分析,在环境温度变化过程中,车辆行驶速度较高、行驶加速度较大的运行工况下,车载PEMFC热管理部件排布方式选取冷却液出口温度相对平缓、进出口温差波动范围较小的R-T排布更为合理。

结合负载功率与热量之间的关系,CHTC-C高速部分区间输出功率变化波动明显,为整个工况中的最高负载功率与最低负载功率同时存在的区间,而冷却液流量与散热器冷却空气流量保持不变。因此,在此区间中,PEMFC冷却液出口温度、冷却液进出口温差、输出电压三者都会出现整个工况运行过程中的最大值与最小值。经过PEMFC冷却液进出口温差范围分析,认为该波动在合理范围内。

5 结论

1) 出于车载PEMFC内部温度稳定性考虑,当其负载功率较小、功率波动变化较平缓时,T-R排布冷却液进口温度、冷却液出口温度、冷却液进出口温差、输出电压的4个值波动范围分别为R-T排布波动范围的80%、60%、68.75%、58.3%,热管理部件排布选择T-R排布更为合理;同理,车载PEMFC负载功率较大且功率波动变化较明显时,R-T排布冷却液出口温度、冷却液进出口温差、输出电压的3个值波动范围分别为T-R排布波动范围的95.6%、95.8%、97.1%,热管理部件排布选择R-T排布更为合理。

2) 环境温度分别在0～10 ℃与30～40 ℃ 2个区间内变化时,环境温度较高的区间较之环境温度较低的区间,PEMFC冷却液进口与出口温度都较高,冷却液进出口温差较小,输出电压较高。

3) 在同一工况中,PEMFC热管理部件排布方式不同不影响PEMFC冷却液进口温度、冷却液出口温度、冷却液进出口温差、输出电压在不同温度区间内升高或者降低的趋势与程度。