著作由来：中国第一汽车集团有限公司 新能源开采院序论影响燃料电池发起机职能的成分良众,此中温度对电堆职能的影响很大。燃料电池发起机就业时电堆连结爆发热量

影响燃料电池发起机职能的成分良众,此中温度对电堆职能的影响很大。燃料电池发起机就业时电堆连结爆发热量,假设爆发的热量不实时排掉,电堆温度将慢慢升高,一方面，温度升高可抬高催化剂活性，抬高质子换取膜上的质子传达速率，从而抬高电化学反响速率,反响电流升高,电堆职能变好。但燃料电池反响天生的水随响应气体排出的速率也会升高。因为水含量会影响质子换取膜的潮湿条款，因此温渡过高时，质子换取膜会爆发脱水征象,电导率降落,电堆职能变差,其它，因为质子换取膜为群集物电解质,当温度挨近100℃时,膜的强度将降落,如不实时降温,膜会浮现微孔通过微孔与气氛混杂,影响运转平和。当电堆内部温渡过低时,催化剂活性降落，输出电压消浸,电堆职能变差。以是,保护电堆内部寻常电化学反响的最佳就业温度边界应仍旧正在70～80℃。

燃料电池热打点体系对燃料电池的职能、寿命和平和起着主要效力,因此一个有用的热打点体系能够保护燃料电池正在70～80℃之间平和、坚固、高效运转,燃料电池的热打点,重要是通过冷却液正在燃料电池发起机及电堆内部滚动，传达热量，对氢气与气氛的反响温度举行掌握,仍旧电堆内的热平均。

正在工程本质操纵中,燃料电池的冷却式样重要水冷。特别燃料电池发起机大功率输出时,电堆就业温度与界限境遇温度相差不大,通过热辐射式样散去的热量很小，必需采用水冷式样排出多量的热量，况且燃料电池发起机保护热平均要知足以下请求：

常常电堆设定的单体(Cell)就业电压为0.60～0.75 V，其能量转化功效正在50%～60%区间，其余能量为电化学反响放出的热量，须由轮回冷却水将其带出，才调保护电堆内部温度的平均。电堆正在大电流密度运转时，为确保各每个Cell运转温度匀称，防卫个别过热，大大批策画为双极板设立差异形态的冷却轮回水流道，使相通温度的冷却水流经每片反响堆后，由统一出口流出，将反响众余热量带走，以包管各Cell的运转温度坚固。对差异的车辆正在差异的工况下运转时，燃料电池发起机热打点体系要确保电堆正在一个高效、平和的温度边界内就业，即一方面要使电堆内化学反响高效举行，电堆职能最佳，另一方面又要确保质子换取膜群集物不浮现热认识的破损，影响电堆平和。因此，电堆就业温度须掌握正在70～80℃之间,这是燃料电池的最佳就业温度边界。

为了包管电堆就业职能，抬高电堆各Cell反响温度划一性，从而使电堆内差异处所的温度散布匀称，大凡地，要包管电堆冷却水入口和出口温差保护正在10℃以内。

燃料电池发起机各个零部件，都必需正在某个温度局限以下才调够寻常就业，特别燃料电池反响堆更需求掌握温度上限，假设电堆内反响温度不服均，当个别温渡过高时,对应处的质子换取膜将会浮现微孔，氢气流道内的氢气将由微孔进入气氛途与气氛混杂，这将惹起吃紧的平和事件。因此,该热打点体系必然要告竣主动安排和掌握燃料电池发起机的冷却水温度。如许，合理地采选水泵、节温器、传感器、掌握器等零部件搭修热打点体系特别主要。

燃料电池就业时,重要有以下几方面热量爆发：化学反响放热、欧姆极化放热、压缩气氛带入的热量和境遇辐射热量。压缩气氛带入的热量和境遇辐射的热量与化学反响放热和欧姆极化放热比拟,可怠忽不计。以是,燃料电池爆发的热量重要为化学反响热与欧姆极化热,两者之和约等于氢气和氧气反响爆发的能量减去电堆输出的电能。即：

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此式中Qgen为天生的余热功率，Incell为电堆的瞬态输出电流,Vcell为电堆的瞬态输出电压。

燃料电池余热从电堆排出重要有三种途径:燃料电池内部天生的水汽化散热、燃料电池热辐射散热、轮回冷却水带走热量。当然，燃料电池反响气体的进出会带入和带出一局部热量,但因为进气与出气温度相差不大,气体比热容较小,根本能够怠忽不记。

电堆排出的气体包罗未反响的氢气、气氛和水,但氢气和气氛的比热容较小,故其带走的热量可怠忽,而排出的水为气态水和液态水的混杂物，大凡地，液态的水大局部由阴极排出。因此,为了简化模子,假设阴极水以饱和水蒸汽和液态两种办法排出,而阳极水只要饱和水蒸汽排出。且齐备汽化,由公式ΔQq=（m氧气+m氢气）×λ×k/3600，求得Qq=7.5 kW。但燃料电池反响天生的水不行完整为水蒸气办法排出，局部会以液态水的办法从阴极流道中排出，再由管途排至车外。按公式估算，汽化散热功率正在3 kW以内。

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式中δ为电堆黑度，σb为斯蒂芬-玻尔兹曼常数；Arad为电堆辐射面积；Tcell为电堆温度；T0为境遇温度。带入δ=0.8，σb=5.76×10-8W/(m2·K4)，Arad=0.682 m2，Tcell=75℃，T0=25℃，可得辐射热为166.7 W。

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此中：C为水的比热，Nl为流道数目Aw为流道截面积；v为流速；ρ为水的密度，Tout为电堆出口温度，Tin为电堆入口温度。因此按公式盘算，轮回冷却水带走热量为燃料电池重要散热途径。

燃料电池正在寻常就业的时间,必需仍旧电池内部的热平均，即爆发的化学反响热与欧姆极化热之和等于三种途径散出热量之和。其热平均能够描写为：Qgen=ΔQr+ΔQrad+ΔQq，由上述阐明得出轮回冷却水带走热量为燃料电池重要散热途径，约占90%以上，辐射散热和水汽化散热可怠忽。故简化模子为

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2）、燃料电池发起机策画散热量为57 kW，预留3 kW策画余量，即60 kW。燃料电池进出口水温分辨为70℃和80℃。

水泵是燃料电池冷却体系的最为焦点部件，其效力是正在燃料电池差异的运转工况下，供给必然流量和压力的冷却轮回水，以知足电堆散热请求。

G=Q/(cΔt)=60×1000/(4.2×1000×10)=1.429 kg/s=86 L/min当流量为86 L/min时，扬程需求约为20 m以知足进堆压力请求。

1）、节温器机闭及效力描写节温器依据冷却水温度主动安排进入散热器的水量，以包管燃料电池正在合意的温度边界内就业，可起到俭朴能耗等效力。

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去离子安装是燃料电池热打点体系中独有的部件，因为燃料电池是发电安装，其冷却水也会将导电离子带出，这将会爆发冷却液导电的告急。为了去除冷却水中的导电离子，需正在冷却体系中装置一个去离子安装，将体系中离子浓度保护正在一个较低水准，包管电绝缘。

本文选用的原装进口的去离子安装，寿命高于同类产物，体积小、装置粗略，最大运转温度为90℃，最大就业压力200 kPa，介质电导率消浸于5.0 μS/cm，离子换取容量200 mEq。

去离子器职能根本请求是当流量抵达体系请求的86 L/min的时间，因去离子安装的压损太大，影响一切体系的就业，故大凡策画与主冷却水途并联。

正在冷却液轮回局部中,冷却液由水箱通过冷却水泵进入电堆,流出电堆晚辈入节温器主动安排进入大轮回和小轮回的水流量。小轮回即温度不高时冷却水由节温器出口直接进入电堆，将电堆中氢气和氧气化学反响的废热带出，再次回到冷却水泵入口，酿成小轮回；大轮回即温度较高时，冷却水由节温器出口进入前段散热器，将较高的热量由整车散热器通过进气格栅进风和散热电扇抽风带走，温度消浸的冷却液再由散热器出口进入电堆，将电堆实质部反响余热排出后从新回到冷却水泵入口，酿成大轮回。因为燃料电池运转温度与境遇温度温差较小,电流密度蜕变对电堆内热传达影响明显,因此燃料电池发起机的热打点是一项极具挑衅的困难。

燃料电池发起机热打点体系机闭策画重要包罗散热器、冷却电扇、冷却水泵、水箱、温度传感器、节温器、去离子器、压力传感器等部件的策画。

正在冷却水轮回局部中,冷却水由水箱通过冷却水泵进入电堆再出来回到冷却水泵入口，此轮回回途中,正在电堆的轮回冷却液进出口处设立一个温度传感器,以监测进出电堆的轮回水温度；同时正在电堆进口处设立一个压力传感器，以此检测冷却液入堆的压力。因为进入电堆的轮回冷却液请求有较小的电导率,以是轮回水必需利用去离子水,因此要正在电堆出口处设立一个去离子器，去离子安装的压损太大，影响一切体系的就业，故策画与主冷却水途并联。另外,本体系采用电堆水热打点体系与暖风体系集成策画计划，正在电堆冷却水出口管途策画分支水途，维系暖风芯体、PTC加热器、电动水泵，并由电磁三通阀掌握进入分支水途的水量，有用欺骗电堆体系余热，消浸采暖能耗，抬高燃料电池发起机功效。暖风体系具有电堆余热采暖及电加热器制热双形式，分身节能与乘员适意性，使整车归纳职能最优。同时电堆正在冷启动时，可与暖风体系共用加热器，空间及本钱更优。电堆就业时,发起机掌握器（ECU）依据温度传感器、压力传感器的上传信号掌握冷却水泵的转速和冷却电扇的转速,将轮回水的进出口水温掌握正在70℃～80℃边界内，来保护电堆内部的热平均,使电堆坚固运转。

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依据电堆需求参数和冷却液流量Q（86 L/min），采选内径为32 mm的硅胶管途，依据盘算公式

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式中A=πr2，A为胶管截面积，r为胶管内半径，能够盘算冷却液流速，再通过流速盘算冷却管途中个别压力耗损，包罗机闭阻力耗损和弯头阻力耗损。再加上沿程总共零部件的阻力耗损，盘算取得的总压损要小于冷却水泵扬程。

本文先容了燃料电池发起机热打点手艺，体系盘算阐明，零部件选型，以及中心先容了发起机热打点体系策画计划，因为燃料电池就业温度与境遇温度相差不大，况且电堆通过热辐射和对流落去的热量又微乎其微，其大局部废热通过冷却液轮回排出，因此将电堆热打点体系与暖风体系集成计划，抬高能量欺骗功效，同时告竣俭朴空间和消浸本钱。

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