白 靜，范惠芳，崔四齊，許 闖，張 毅，關(guān)斯?jié)?，楊涵斐，賈一飛，耿樹偉，鄭慧凡

（中原工學(xué)院能源與環(huán)境學(xué)院，河南 鄭州 451191）

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

目前，針對質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾淼男枨?，國?nèi)外眾多研究人員在散熱方式上開展了廣泛的研究。質(zhì)子交換膜燃料電池散熱方式有風(fēng)冷[6-9]、液冷[10-13]、相變冷卻。風(fēng)冷研究主要集中于空氣流道的設(shè)計和優(yōu)化，由于空氣散熱系數(shù)低，使冷卻功率受到限制；相對于風(fēng)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(nèi)部電堆溫差較大、冷卻液有泄漏風(fēng)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(tǒng)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?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型，研究了電堆電流、冷卻液流速、散熱片表面風(fēng)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(jié)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(nèi)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(jié)果表明該熱管在蒸發(fā)器部分耗散高達12 W，相當(dāng)于1.8 W/cm2。Fly 等[18]將霧化后的液態(tài)水作為冷卻劑，模擬冷卻劑在陰極通道內(nèi)部流動冷卻電池堆的過程，結(jié)果表明電堆內(nèi)部溫差在4 ℃以內(nèi)。Garrity等[19]開發(fā)了一種閉環(huán)兩相熱虹吸管微通道蒸發(fā)冷卻板，采用流動沸騰并以熱流密度為變量，結(jié)果表明最大熱通量達到了32 kW/m2。

通過文獻調(diào)研，發(fā)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池散熱系統(tǒng)得到了國內(nèi)外學(xué)者的廣泛關(guān)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(tǒng)較為完整的研究。為了解決燃料電池?zé)嶝?fù)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(tǒng)實驗臺，研究兩相冷卻工質(zhì)HFE-7100的散熱系統(tǒng)在不同流程換熱器和不同工質(zhì)流量下的散熱特性，并與使用乙二醇水溶液的散熱系統(tǒng)進行對比，分析其散熱性能優(yōu)劣。

1 理論分析

1.1 燃料電池系統(tǒng)熱量平衡

燃料電池穩(wěn)定工作時電池堆溫度保持不變，產(chǎn)熱和散熱達到平衡，燃料電池系統(tǒng)的散熱途徑主要包括冷卻工質(zhì)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(chǎn)熱量，kJ；Qdis為散熱量，kJ；Qcool為冷卻工質(zhì)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(shù)，W/(m2·K)；A為傳熱面積，m2；ΔTm為對數(shù)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(zhì)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(huán)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(zhì)散熱量[20]為：

式中，m為兩相冷卻工質(zhì)質(zhì)量流量，kg/s；Δh為兩相冷卻工質(zhì)汽化潛熱，kJ/kg；Cp為兩相冷卻工質(zhì)液態(tài)比熱容，kJ/(kg·K)；ΔT為兩相冷卻工質(zhì)過冷度，K。

1.2.2 液冷散熱分析

液冷冷卻工質(zhì)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(huán)境。液冷冷卻液散熱量[20]為：

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

能效比（energy efficiency rating，EER）表示能源轉(zhuǎn)換效率，EER 越大，系統(tǒng)的節(jié)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(fēng)機功率，kW。

2 實驗設(shè)備與方案

2.1 實驗設(shè)備

圖1為車用燃料電池散熱系統(tǒng)循環(huán)原理圖。系統(tǒng)主要由水泵、加熱端、換熱器、風(fēng)機、質(zhì)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(shè)備及相關(guān)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要設(shè)備及相關(guān)參數(shù)Table 1 Main equipment and related parameters of the system

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

實驗數(shù)據(jù)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(zhì)流量和換熱器側(cè)風(fēng)速。測量裝置包括壓力傳感器、溫度傳感器、風(fēng)量測量儀、溫控器和質(zhì)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(shù)據(jù)記錄速率設(shè)置為1次/秒，能實時記錄溫度、壓力等參數(shù)。

表2 測量裝置明細(xì)表Table 2 Detailed list of measuring devices

2.2 實驗方案

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 21361—2017《汽車用空調(diào)器》和GB/T 37123—2018《汽車用電驅(qū)動空調(diào)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(zhì)流量及冷卻工質(zhì)為單一變量分析系統(tǒng)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(zhì)流量選取3 L/min、3.5 L/min、4 L/min、4.5 L/min，以相同的環(huán)境溫度和風(fēng)機轉(zhuǎn)速所測的實驗數(shù)據(jù)為一組。智能PID調(diào)節(jié)冷卻板出口工質(zhì)溫度，目標(biāo)值設(shè)為70 ℃（兩相工質(zhì)HFE-7100 在標(biāo)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(jié)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(huán)境溫度為35 ℃，工質(zhì)流量為3.5 L/min，風(fēng)機轉(zhuǎn)速百分比為80%，以及風(fēng)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(zhì)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(jié)構(gòu)更復(fù)雜，工質(zhì)流動阻力增大，系統(tǒng)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(zhì)在管內(nèi)因相變導(dǎo)致體積變化較大，受到的管內(nèi)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(tǒng)功率和系統(tǒng)EER 的變化。兩種散熱方式系統(tǒng)功率均隨流程數(shù)增多逐漸增大，原因是換熱器內(nèi)部壓降變大，水泵的功耗增大。系統(tǒng)EER 隨流程數(shù)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(tǒng)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(fù)雜，流動阻力及壓降變大，導(dǎo)致相對散熱量下降，系統(tǒng)功率增加進而系統(tǒng)EER下降。同時在切換到4流程后，兩相散熱方式系統(tǒng)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(zhì)因在管內(nèi)發(fā)生相變，體積變化大，導(dǎo)致兩相冷卻工質(zhì)受到的管內(nèi)阻力小，系統(tǒng)功率小，散熱量大，系統(tǒng)能效比下降幅度小，提升率相對較高。

3.2 冷卻工質(zhì)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(zhì)流量對散熱特性的影響，選取環(huán)境溫度為35 ℃，流程為3，風(fēng)機轉(zhuǎn)速百分比為80%，以及風(fēng)速為3.4 m/s，在工質(zhì)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(zhì)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(zhì)流量增大，管內(nèi)工質(zhì)流速增大，總傳熱系數(shù)也隨之增大，導(dǎo)致散熱量增大，并對兩相散熱影響較大。由于工質(zhì)流量過大，有一部分工質(zhì)沒有與空氣充分換熱，導(dǎo)致兩相散熱量在工質(zhì)流量為4～4.5 L/min時增加幅度變緩。在相同的工質(zhì)流量下，兩相散熱量均大于液冷散熱量，且隨工質(zhì)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(nèi)工質(zhì)流量的增大，兩相散熱系統(tǒng)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(zhì)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(zhì)流量下系統(tǒng)功率和系統(tǒng)EER 的變化。隨著工質(zhì)流量增大，泵轉(zhuǎn)速變大，導(dǎo)致兩種散熱方式系統(tǒng)功率均增大。兩相散熱系統(tǒng)EER 隨著流量的增大逐漸增大后穩(wěn)定，原因是流量增加工質(zhì)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(tǒng)EER則隨著流量的增大緩慢減小。在不同的工質(zhì)流量下，兩相散熱系統(tǒng)EER 均大于液冷散熱系統(tǒng)，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(zhì)流量下，兩相系統(tǒng)EER 幾乎不變，這是由于散熱量提高幅度小，而系統(tǒng)功率呈線性增加，導(dǎo)致系統(tǒng)EER 增加幅度較小。通過系統(tǒng)EER 分析發(fā)現(xiàn)，不能一味地增加流量來提高系統(tǒng)性能，此系統(tǒng)工質(zhì)流量為4 L/min時為最佳流量，節(jié)能效果最好。

4 結(jié) 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(zhì)流量下對燃料電池的散熱量及系統(tǒng)EER的影響，得出結(jié)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(tǒng)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(tǒng)EER 提升率均在65%以上。換熱器流程對系統(tǒng)有一定影響，根據(jù)實際情況選用換熱器流程數(shù)，為燃料電池散熱系統(tǒng)設(shè)計優(yōu)化提供了有益的參考。

（2）在不同的冷卻工質(zhì)流量下，兩相散熱方式的散熱量和系統(tǒng)EER 均大于液冷散熱方式，隨工質(zhì)流量的增大，二者的差值逐漸增大，工質(zhì)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(zhì)流量，在保證一定的散熱量基礎(chǔ)上要考慮系統(tǒng)節(jié)能效果，該系統(tǒng)工質(zhì)流量為4 L/min 時最佳，達到了一定的節(jié)能效果，在車用燃料電池領(lǐng)域具有一定的適用性和一定的參考價值。