1、第6期(总第166期)2006年12月车用发动机VEHICLE ENGINENo6(Serial No166)DeC2006电子控制车用燃料电池发动机热管理系统研究陈 潇，汪茂海，张扬军，张钊(清华大学汽车工程系汽车安全与节能国家重点实验室，北京 100084)摘要：建立了车用燃料电池发动机热管理系统模型，该模型能考虑系统内各部件闯及部件与电池堆间的相互影响；应用该模型计算分析了某65 kW车用燃料电池热管理系统对燃料电池堆性能的影响、热管理系统运行参数的控制依据和散热器布置形式的影响等。结果表明，应主要通过调节冷却风扇转速来调整电池堆温度，通过调节冷却水泵来保持电池堆进出口水温温差；散热器并
2、联要优于散热器串联。关键词：燃料电池发动机；热管理系统；相互作用；风扇；水泵中图分类号：TK91 文献标志码：B 文章编号：10012222(2006)06001204燃料电池发动机是燃料电池汽车设计研究与开发的主要内容口。热管理对燃料电池发动机的性能、寿命和运行安全具有决定性影响，是燃料电池发动机研究与开发的核心关键技术之一E2-4。燃料电池发动机热管理是从系统集成和整体的角度控制并且优化燃料电池发动机的热量传递过程，完善地管理并合理利用热能、冷却散热及节能降耗，改善燃料电池发动机的性能5。目前，大部分燃料电池热管理的研究只考虑散热6培，而对系统内各部件相互影响的研究不多。Zhang YJ等
3、人建立了燃料电池发动机的热管理系统模型，分析了系统运行参数及参数间相互作用对系统热性能的影响，但未考虑热管理系统对电堆性能的影响9。本研究建立了质子交换膜燃料电池发动机热管理系统模型，考虑了热管理系统内各部件及其与燃料电池堆性能相互作用；运用该模型对某65 kW燃料电池发动机试验台的热管理系统进行计算分析，仿真计算基于一维流体系统分析软件FLOWMASTER21 热管理系统模型燃料电池发动机的热管理系统由散热器、风扇、水箱、水泵和管路等组成，与燃料电池堆相连接，以去离子水为冷却工质。图1所示的燃料电池发动机热管理系统模型中，燃料电池堆为唯一的热源，热能通过流体网络传递；该模型忽略了燃料电池堆通
4、过其他途径散出的热量。首先建立各部件模型，然后按照图1的连接关系建立系统模型。11 燃料电池堆模型燃料电池堆运行时的发热功率为图1燃料电池发动机热管理系统散热器qNA(一筹一Vfc)， (1)厶I式中，N为电池堆中的电池片数，本计算中为650片；i为电流密度，单位为Acm2；A为电池活化面积，单位为cm2；Ah为单位反应产物(水蒸气)的生成焓，一241 830 Jmol；F为法拉第常数，96 487 Cmol；“为单片电池电压，单位为V。冷却水流经燃料电池堆带走的热量为q，=(hA)。At。一T 1个(hA)。(T一三旦L三韭)， (2)厶式中，T为电池堆温度，单位为K；(hA)。为电池堆传热
5、参数，本计算中为6 000 WK。当电池堆处于热平衡状态时，则毒=奇，。式(1)中电池电压Vk的计算采用半经验模型，其经验参数取自参考文献Elo一11中，是由某活化面积为232 cm2，Nafionll7型质子交换膜燃料电池的收稿日期：20060427；修回日期：20061123基金项目：国家863计划重大专项资金资助(2003AA501100)作者简介：陈潇(1981一)，女，辽宁省清原县人，硕士，主要研究方向为发动机流动与传热万方数据2006年12月 陈潇，等：车用燃料电池发动机热管理系统研究试验结果拟合得到。考虑电化学反应机理可得电池电压方程Vfc=E+啦。+啪hIn， (3)式中，E，
6、啦啦h分别为电池开路电压、电池活化过电位和电池欧姆过电位，单位为V。电池开路电压由反应物与生成物之间能量平衡求得，可由Nernst方程计算E一122985i0-4(T一29815)+14308 510一T1n(pH，)+ln(夕q)， (4)一 厶式中，PH。为H。在阳极催化剂气体界面处的分压，单位为105 Pa；P瓯为o。在阴极催化剂气体界面处的分压，单位为105 Pa；PH。和Po。分别由阳极和阴极进气压力计算得到，计算方法参见文献12。本研究在计算中阳极和阴极进气压力均为3105 Pa。电池活化过电位为1们啦。一+岛T+T1n(Co。)+Naganuma Y;Kuriyama K Dev
7、elopment of Fuel Cell Bus2.GM USA Fuel Cell Engine with Simple Thermal Management of Hydride Storage 20013.IFC USA Thermal Management of Fuel Cell Assembly Using Thermal Management Loops 20004.衣宝廉 燃料电池-原理技术应用 19935.张杨军;李希浩;黄海燕 燃料电池汽车动力系统热管理期刊论文-汽车工程 2003(06)6.唐永华;颜伏伍;候献军 燃料电池发动机永热管理系统设计研究期刊论文-华北电力 2
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9、ransient Responses of Proton ExchangeMembrane Fuel Cells外文期刊 1996(61)11.Amphlett J C;Baumert R M;Mann R F Performance Modeling of the Ballard Mark Solid PolymerElectrolyte Fuel Cell外文期刊 1995(01)12.用昆颖 紧凑换热器 1998本文读者也读过(10条)1. 侯献军.桂文刚.金雪.HOU Xian-jun.GUI Wen-gang.JIN Xue 质子交换膜燃料电池发动机热管理研究期刊论文-汽车科技200
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11、YAN Fu-wu.HOU Xian-jun.LI Xiao-yi 燃料电池发动机水热管理系统设计研究期刊论文-华东电力2005,33(4)8. 李忠华.杜传进.侯献军.DU Chuan-jin.HOU Xian-jun.LI Zhong-hua 质子交换膜燃料电池热管理研究期刊论文-电池工业2007,12(2)9. 李正秋.蒋燕青.Li Zhengqiu.Jiang Yanqing 燃料电池汽车整车热管理系统研究期刊论文-上海汽车2008(2)10. 任庚坡.于立军.姜秀民.朱鹏.王宁 质子交换膜燃料电池的水热管理研究动态会议论文-2006引证文献(1条)1.劳星胜.王建伟.马士虎.赵俊涛.曾宏.诸葛伟林.张扬军 舰船燃料电池动力系统研究现状期刊论文-舰船科学技术 2008(6)引用本文格式：陈潇.汪茂海.张扬军.张钊.CHEN Xiao.WANG Mao-hai.ZHANG Yang-jun.ZHANG Zhao 车用燃料电池发动机热管理系统研究期刊论文-车用发动机 2006(6)
