节温器布置形式对质子交换膜燃料电池电堆冷

运用一维仿真软件建立质子交换膜燃料电池液冷系统模型，研究了不同节温器布置形式对系统的性能影响。对某额定功率30kW的燃料电池发动机在4个不同工况点进行液冷系统散热特性仿真：在节温器一进两出的布置形式下仿真结果与试验数据基本一致，电堆出口温度仿真值与实测值相对误差分别为0.5%、1.5%、2.4%、4.9%；节温器两进一出的布置形式下液冷系统中冷却液温度变化平缓而均匀，前10s和第10～50s之间的温度变化率之差较一进两出形式低36.85%，更有利于电堆的长期高效运行。1前言质子交换膜燃料电池（ProtonExchangeMembraneFuelCell，PEMFC）具有低温启动快、能量密度高、功率密度高等优点，愈发受到学术界和产业界的重视。燃料电池发动机是由燃料电池和众多辅助设备（BalanceofPlants，BoP）构成的发电系统，其效率约为40%～60%。燃料电池较高的发热量决定了热量的耗散主要依靠液冷系统冷却散热，该方式的散热量占系统总散热量的95%以上。燃料电池电堆适宜的工作温度为60～80℃，温度过低时，电池内部各种极化增强，增大了欧姆阻抗，降低了燃料电池的性能，过高的温度会使质子交换膜失水，中断质子传导与导电，电堆性能下降。因此，使燃料电池发动机的工作温度维持在合适的区间十分重要。燃料电池电堆的热平衡由液冷系统控制，液冷系统主要包含散热器、水泵、节温器、膨胀水箱等。冷却液在水泵的驱动下流经燃料电池电堆内部的冷却流道后被加热，再通过散热器将热量传递至外界环境，实现整个系统的运转，其中节温器根据冷却液温度自动调节进入散热器的水量，以保证燃料电池在合适的温度范围内工作，可起到降低能耗等作用。当前，燃料电池发动机的辅助设备中液冷系统是研究热点。大部分研究基于Simulink搭建的温度控制模型：史青研究了燃料电池电堆入口温度变化、出入口温差的变化情况，结果表明入口温度主要受散热器空气侧换热能力的影响，出入口温差受冷却液流量的控制；程思亮研究了燃料电池常温暖机与低温启动过程中液冷系统的状态，分别采用线性二次型调节器（LinearQuadraticRegulator，LQR）和滑模控制方法将液冷系统的温度波动控制在1℃以内。也有学者采用一维仿真软件进行仿真模拟，如李菁采用GT-COOL搭建了完整的燃料电池及电机驱动系统液冷系统模型，采用双散热器的布局，取得了较为准确的仿真结果。但是，针对节温器与燃料电池液冷系统冷却性能方面的研究相对较少。本文以某额定功率30kW的燃料电池发动机为研究对象，基于燃料电池电堆的散热需求，利用一维仿真软件建立燃料电池液冷系统仿真平台，在4种工况下研究节温器布置形式对质子交换膜燃料电池电堆冷却性能的影响。2研究对象2.1燃料电池电堆液冷系统正常工作情况下，燃料电池电堆热量的耗散途径有液冷系统冷却散热、尾气排热、电堆与空气的自然对流传热和辐射传热，其中后三者之和约占总散热量的5%，可忽略不计，则散热量Pcool等于液冷系统冷却散热的功率：式中，c为水的比热容；ρ为水的密度；V(H2O)为水的体积流量；Tout为电堆出口水温；Tin为电堆入口水温。冷却液作为热量的载体，流经电堆内部的冷却液流道时被加热，流经外部散热器后被冷却。电堆除了对反应温度的恒定性要求较高外，对各单体之间的均一性也要求严苛。通常，电堆进、出口水温温差要求控制在10℃以内，以保证各单体电池温度的均匀性和一致性。因此，进、出口冷却液温差可以作为液冷系统性能优劣的评价指标。2.2节温器节温器根据冷却液温度调节通过散热器的流量，从而控制散热器的散热量，将燃料电池工作温度维持在适当范围内。目前使用最广泛的是传统式石蜡节温器，它利用石蜡受热熔化的物理特性进行阀开度的控制：流过节温器的液体温度升高，石蜡受热熔化体积膨胀，节温器的开度增加；流过节温器的液体温度降低，石蜡冷却体积变小，节温器开度减小。但石蜡固有的物理特性导致节温器阀开、闭过程存在滞后性，节温器的滞后量是指在开、闭过程中开度的50%处升程和闭程曲线对应的温度差。节温器在布置形式上有一进两出和两进一出2种方式。两进一出方式节温器布置在散热器下游，如图1所示：当冷却液温度低于额定工作温度下限T1时节温器开度为0，冷却液不经过散热器直接流回电堆的内部流道；当冷却液温度升至额定工作温度下限T1后，节温器开度逐渐增加，部分冷却液流经散热器并冷却，与其余冷却液汇合后一同再流入燃料电池电堆；当冷却液温度升至额定工作温度上限T2后，冷却液全部流经散热器并被冷却。一进两出方式节温器布置在散热器上游，如图2所示，其工作过程同两进一出布置形式，资料显示，本田Clarity车载燃料电池发动机的热管理系统采用了该种布置形式。图1节温器一进两出布置示意图2节温器两进一出布置示意2.3散热器试验采用平行流小通道换热器，采用单流程，扁管数量为54个。取迎面风速度为U=5m/s，基于散热量并结合相关理论和经验公式确定结构参数如表1所示。表1平行流换热器结构参数3仿真模型3.1电堆发热特性本文采用的某款燃料电池电堆额定功率为30kW，该电堆液冷系统的冷却液采用50%乙二醇。在环境温度为30℃的条件下，该燃料电池电堆在不同功率下的试验数据如表2所示。表2某燃料电池电堆在不同工况下的参数3.2模型建立本次研究建立了一维仿真模型，一进两出节温器布置情况下冷却回路的模型如图3所示，图中冷却液流动方向为顺时针方向，由左侧的水泵部件流出，流经上部的冷却液传热（CoolantHeatTransfer）部件，该部件与热源（HeatFlowSource）模块连接以模拟燃料电池内部的冷却过程，继而流入节温器部件，在此处分为2路，中部液路为小循环部分，右侧液路为散热器液路，随后流回水泵。该模型还包括右下部的膨胀水箱液路。两进一出节温器布置情况下冷却回路模型如图4所示，基本布局同3，不同之处在于将节温器布置在回路下部，散热器液路之后。对所述冷却回路部分部件进行简化，以着重研究节温器的影响。系统选用的冷却液是50%乙二醇，初始温度为30℃，设为不可压缩的理想液体。图3节温器一进两出布置冷却回路模型3.2.1电堆发热模块为建立和分析燃料电池液冷系统模型，对系统进行以下假设：不考虑燃料电池电堆内部的传热传质过程，只考虑其为热源，且燃料电池的热平衡仅由液冷系统维持，不受其他因素干扰。因此，燃料电池电堆建模过程中采用热源模块替代，该种方式能够准确地体现燃料电池的发热特性。热源的发热功率采用前文所述试验数据。为研究不同工况下液冷系统对电堆发热量变化的动态响应，设置发热功率随时间呈阶梯形增长，如图5所示。采用冷却液传热部件模拟电堆中流经冷却液的流场管道。3.2.2水泵模块图4节温器两进一出布置冷却回路模型本文选用离心式叶片泵，水泵的特性由扬程（PumpHead）、体积流量和转速3个因素确定，该水泵的MAP如图6所示。图5输入发热功率随时间变化关系图6所选离心式叶片泵MAP3.2.3节温器模块采用传统式石蜡节温器，基于该燃料电池电堆的发热特性，取额定工作温度下限T1=50℃，额定工作温度上限T2=65℃，其升程-温度曲线如图7所示，节温器的滞后量为-1℃。3.2.4散热器模块散热器两侧存在2种流体流动，即冷却液和空气，热量由冷却液经散热器表面传递至空气中。对该模型进行以下假设：散热器内的冷却液沿水管一维流动，忽略水管的空间结构以及重力对流动的影响；将风扇的空气侧对流影响折算至表面换热系数中，不考虑格栅对气流的影响。图7节温器升程-温度曲线空气侧的表面传热系数ha根据经验公式确定：同时，努塞尔数Nu还满足：另外，式中，Re为雷诺数；j为传热因子；ρ=1.kg/m3为空气密度；U为风速；L为参考长度；λ=26.97×10-3W/(m·K)为空气的导热系数；μ=18.75×10-6kg/(m·s)为流体动力粘度；Pr=0.为普朗特数；LF为翅片长度；HF为翅片高度。传热过程冷却液侧的表面传热系数hb同样根据努塞尔准则确定：同时，液体侧的努塞尔数还满足经验公式：另外，式中，Rer为液体侧单流程的雷诺数；qmr=为扁管内孔水力直径；qm=47.4kg/s为冷却液的质量流量；Dnr=12mm为扁管内孔水力直径；j=0.为传热因子；Prl=2.为液体侧的普朗特数；μl=.38×10-6为冷却液的动力粘度；λl=.6×10-3W/(m·K)为导热系数。计算得ha=.08W/(m2·K)、hb=.18W/(m2·K)。4结果分析4.1节温器一进两出布置形式下液冷系统动态响应节温器一进两出布置形式下，电堆回路仿真结果如图8和表3所示，由图8a可知，在较高发热功率（35.9kW）下电堆进、出口温差约为10.2℃，基本符合温度均匀性要求。由表3可见，各种工况的仿真结果与试验结果基本一致，相对误差在5%以内，表明所建立的仿真模型具有较高的可信度。误差产生的原因主要是所建立的仿真模型未考虑以下3个方面带来的影响：一是仅认为热量通过液冷系统耗散，忽略了尾气带走的热量等；二是仅考虑燃料电池的化学反应热与焦耳热，没有考虑进堆空气带入的热量等；三是建模过程中对散热器的模型进行了简化处理，带来部分误差。从图8a中可以看出，约第59s时冷却液温度升高突然变缓，前10s温度升高率为62%，第10～50s温度升高率为1.85%，一进两出布置形式下节温器从开始开启到开启稳定过程中有振荡和陡变现象，节温器主阀门反复开闭，导致冷却液温度波动。4.2节温器两进一出布置形式下液冷系统动态响应节温器两进一出布置形式下，电堆回路仿真结果如图9和表4所示，由图9a可知，在较高发热功率（35.9kW）下，电堆进、出口温差约为9.82℃，基本符合温度均匀性要求。由表4可见，各种工况的仿真结果误差较大，该差距是由于仿真模型与试验系统不同的节温器布置形式带来的冷却特性不同造成的。从图9a中可以看出，两进一出布置形式的节温器的温度曲线无明显振荡现象，前10s的温度升高率为42.9%，第10～50s之间温度变化率为19.6%，第s时温度仍在上升，冷却液的温度变化平缓且均匀。4.3节温器2种布置形式下液冷系统动态响应对比对比表3和表4可知，2种节温器布置形式在各工况下进、出口温差的数值基本一致且小于10℃，满足电堆温度一致性要求。节温器一进两出布置形式下，节温器的开度相对较大，对燃料电池电堆的温度变化反应迅速，冷却液温度相对较低，能较好地防止电堆温度过高。但是如果燃料电池电堆工况变化复杂，此种布置方式可能导致冷却液温度波动较大，不利于电堆中单电池的温度一致性，从而导致电堆功率降低，寿命下降。节温器两进一出布置形式下，节温器探测到的冷却液温度较机体水道内冷却液实际温度低，对水温的控制延迟，因而节温器的开度相对较小，但每个循环进入电堆的低温冷却液较少，减缓了电堆的温度变化速率，可降低对电堆的冷热冲击程度，有利于电堆的稳定高效运行。图8节温器一进两出布置形式冷却回路仿真结果表3节温器一进两出布置形式冷却回路仿真结果图9节温器两进一出布置冷却回路仿真结果表4节温器两进一出布置形式冷却回路仿真结果5结束语本文针对某额定功率30kW的燃料电池，运用一维仿真软件建立了节温器一进两出和两进一出布置形式的质子交换膜燃料电池发动机液冷系统仿真模型，在4个不同工况点对液冷系统散热特性进行仿真，结果表明，节温器一进两出布置形式下仿真模型与试验数据基本一致，误差在许用范围5%内，说明仿真模型具有较强可信度。2种节温器布置形式下液冷系统的性能对比结果表明，节温器两进一出的布置形式更有利于电堆的长期高效运行。

作者：程子枫1,2李明1,2郭勤3任雁4秦贵和3

1.吉林大学，汽车仿真与控制国家重点实验室

2.吉林大学，汽车工程学院

3.吉林大学，计算机科学与技术学院

4.河南林业职业学院

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