燃料电池汽车散热系统的设计

　　夏明智许思传李有才（同济大学）乐伟陈建立周奕（上海燃料电池汽车动力系统有限公司）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，上述3种措施在某款燃料电池轿车上得到了实际应用，经试验验证，证明了方案的可行性。

　　主题词散热器风扇燃料电池汽车-刖言由于近年来环境问题日益突出，而传统汽车作为一个重要的污染源，如何对汽车的排放进行控制已经成为一个广泛而重要的课题；同时石油资源的枯竭也迫使人们去寻找一种替代燃料以缓解能源危机，燃料电池汽车便应运而生了。

　　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达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、和NX仅C2而言，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CQ，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C2的总排放量。如使用水电、核电、风电和太阳能发电，则不存在CQ污染问题。使用再生生物发电，能够不增加的排放总量。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，CQ的排放量也很低。

　　燃料电池工作方式与蓄电池等常规化学电源不同，它的燃料及氧化剂储存在电池外，当电池工作时，连续向电池内送入燃料及氧化剂，产生电能。因而燃料电池是一种发电装置而非电能的储存装置。另外，它还具有燃料多样化、排气干净、噪声低、对环境污染小、可靠性高及维修性好等优点。

　　1燃料电池的原理质子交换膜燃料电池（PEMFC）是作为继碱性燃料电池（APC）、磷酸燃料电池（PAFC）、熔融碳酸盐燃料电池（MCIC）和固体氧化物燃料电池（S）F之后发展起来的第五代燃料电池，由于采用了固态电解质高分子膜作为电解质，具有能量转换效率高、低温启动、无电解质泄漏等优点，因此被公认为有希望成为电动汽车的动力来源。为质子交换膜燃料电池的基本结构。

　　质子交换膜燃料电池基本结构示意图表1燃料电池与内燃机的散热比较发动机类型燃料电池内燃机排气散热3 ~550散热器排热9550散热器工作温度环境温度~65C环境温度~100c 0.）钺芩在电池的另一端，氧气（或空气通过管道或导气板到达阴极；同时，氢离子穿过电解质膜到达阴极，电子通过外电路也到达阴极，在阴极催化剂的作用下，氧与氢离子和电子发生反应生成水和热，与此同时，电子在外电路的连接下形成电流，通过适当连接可以向负载输出电能。

　　阴极反应式为：1/2O+2H++2e―HO热量总反应式为：H+1/2Q―H电能2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65c左右。

　　燃料电池中的热量来源有4个：由于电池的不可逆性而产生的化学反应热；由于欧姆极化而产生的焦耳热；加湿气体带入的热量；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70C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35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。

　　另外，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30C可见燃料电池散热器的散热更为艰难。表1为燃料电池发动机与内燃机在散热上的比较。

　　对开发的某型燃料电池汽车进行散热试验，采用传统内燃机汽车的散热器布置方式，在35C的环境温度下，车速和电池堆进出口水温之间的关系如所示。

　　传统散热器布置方式下车速和水温关系曲线由可见，在90lm/h之后电池堆的出口水温就已经达到了65°c，并且有着急剧上升的趋势，说明在这样的散热器布置方式下，燃料电池发动机的散热很难得到满足，因此在这种情况下对燃料电池汽车散热器总成布置方式的改进就相当有必要。

　　燃料电池汽车为了对电流输出进行控制，比传统汽车多了一个功率控制单元（PCU）其中用以转换电压的转变器以及将直流电变为交流电的逆变器均是需要散热的元件，因此对于燃料电池汽车的散热系统来说，将会额外增加一个用以对PCU进行散热的PO散热器，其布置也将是一个问题。

　　3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。

　　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1.6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。

　　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，如所示。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。

　　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如的布置方式，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。

　　4结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：（1）大功率的风扇；（2）增大散热面积；（3撒热器位置的改变。相信随着对燃料电池常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。