９６ ４８７ Ｃ／ｍｏｌ；“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
传热参数，本计算中为６ ０００ Ｗ／Ｋ。
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
Ｖｆｃ＝Ｅ＋啦。。＋啪ｈＩｎ，
（３）
式中，Ｅ，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一１．２２９—８．５×ｉ０－４（Ｔ一２９８．１５）＋
１
４．３０８ ５×１０一Ｔ［１ｎ（ｐＨ，）＋÷ｌｎ（夕ｑ）］， （４）
瑚
３，‘ ｛堇
毫 ！
２瑚
蟊 ｌ瑚
浆
墨
ｌ姗
瑚
瑚
０．２
粥
∞ 参
—ｚ
∞、
料 ∞督
蕞 ∞越
婪 加趣
卸
ｍ
Ｏ．３
０．４
Ｏ
０．５
０．６ ０．６５
电流密度／Ａ·ｃｍｔ
图３不同电流密度对应的风扇转速
２．３ 散热器布置形式的影响 由于普通车用散热器的体积和散热面积有限，
为了满足系统散热要求，在燃料电池发动机热管理 系统设计中，可能采用多个散热器布置在系统中。 第１５页图４所示为串联和并联两种不同的热管理 系统布置形式。第１ ５页图５所示为水泵转速 ２ ０００ ｒ／ｍｉｎ时，上述热管理系统中风扇转速对电池 堆温度的影响。在风扇转速较低时，并联系统散热 效果优于串联￡风扇转速较大时，两种形式差别不 大。考虑到燃料电池发动机的效率，在两散热器并
模拟计算中热管理系统的部件性能参数主要取 自某６５ ｋＷ燃料电池发动机试验台采用的热管理 系统。该系统采用的水泵为轴流式，标定转速为 ２ ８２０ ｒ／ｍｉｎ；轴流式风扇，直径为０．４５ ｍ，标定转速
２ ０００ ｒ／ｍｉｎ，板翅式散热器总传热面积（Ａ。）约为 ９．２９ ｍ２，传热系数（Ｋ）为２２７ Ｗ／（ｍ２·Ｋ）。 １．３ 边界条件
燃料电池发动机在实际运行中，改变输出功率 是通过改变电流密度来实现的。随着电流密度的改 变，电池堆发热功率也会有明显变化，需要对热管理 系统进行调节，以防止电池堆过热影响寿命和运行 安全或温度过低降低效率。水泵转速为２ ０００ ｒ／ ｍｉｎ时，电流密度从０．２０ Ａ／ｃｍ２增至０．６５ Ａ／ｃｍ２， 为保持电池堆温度在３４３ Ｋ，需按照图３所示的风 扇转速曲线进行调节。由图可知，在电流密度增大 的过程中，电池堆发热功率迅速提高，必须合理控制 风扇转速。
万方数据
车用发动机
２００６年第６期
垂；
嘶
三渤 ｛醚 蜥
蛩 墨 啪嘶 蒌
瑚娜蚕｜ 啪
５００
０．７０
ｌ ５００
２ ５００
３ ５００ ４ ０００
风扇转速／ｒ ｏｍｉｎｌ
ａ电池堆温度
０．６９
苗ｏ．６８
口 爱０．６７ 羽 虻 聃０．６６
Ｏ．６５
０．６４ ５００
瓴５
瓴Ｏ
姐 Ｉ
‘譬
５
＼
槲 住０
督
崧 诎５
鲻
蜡 妞Ｏ
第６期（总第１６６期） ２００６年１２月
·电子控制·
车用发动机
ＶＥＨＩＣＬＥ ＥＮＧＩＮＥ
Ｎｏ．６（Ｓｅｒｉａｌ Ｎｏ．１６６） ＤｅＣ．２００６
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，该模型能考虑系统类号：ＴＫ９１
文献标志码：Ｂ 文章编号：１００１—２２２２（２００６）０６—００１２—０４
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］。
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 ３×１０５ Ｐａ。电池活化过电位为［１们
啦。一＆＋岛Ｔ＋￡Ｔ［１ｎ（Ｃｏ。）］＋
＆Ｔ［１ｎ（ｉ·Ａ）］，
（５）
式中，Ｃ＆为阴极膜／气体界面处的Ｏ。浓度，单位为
ｍｏｌ／ｃｍ３；计算方法参见文献［Ｉｏ一１１］；经验参数ａ，
邑，岛和＆取值分别为一０．９４４×１０～，３．５４×１０～，
７．８×１０＿５和一１．９６×１０一。 欧姆过电位主要由质子交换膜及电池极板电阻
引起，与电流成正比
啪ＩｌＩｎ一一（ｉ·Ａ·Ｒ。ｂｎｌ），
燃料电池堆运行 时的发热功率为
散 热 器
图１燃料电池发动机热 管理系统
ｑ—Ｎ｛Ａ（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Ａ／ｃｍ２；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 Ｊ／ｍｏｌ；Ｆ为法拉第常数，
本研究模拟计算的边界条件为，流入风扇的空 气温度为２０℃，压力为１０５ Ｐａ。
２ 结果与分析
２．１ 热管理系统对燃料电池堆性能的影响 热管理系统通过影响燃料电池堆温度，对燃料
电池发动机的性能产生影响。热管理系统的运行参 数主要包括风扇转速和水泵转速。第１４页图２比 较了电流密度为０．５ Ａ／ｃｍ２时，不同水泵转速下， 风扇转速对于燃料电池堆温度、单片电池电压、发热 功率以及发动机效率的影响。本研究中将燃料电池 发动机效率定义为
（６）
式中，Ｒ妇为电池内电阻，单位为Ｑ。
Ｒ。ｈｒｎ一鑫＋＆Ｔ＋岛（ｉ·Ａ），
（７）
式中，经验参数鑫，岛和岛的取值分别为３．３０×
１０一３，一７．５５×１０—６和１．１×１０—６。 １．２ 部件模型
散热器模型采用传热单元数（ｅ—ＮＴＵ）法。 传热单元数为ＮＴＵ＝ＫＡ。／（缸。）岫；热容量
流率比为Ｃ一（施，）。ｉ。／（施。）。。；散热器的ｅ—
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
·
１５ ·
联形式下，热管理系统流动阻力减小，水泵功耗降 低，系统效率较高。因此，两散热器并联的形式散热 效果较好，且能够降低系统的功耗。
ｃ）采用双散热器并联式热管理系统布置，在散 热能力与节能方面均优于双散热器串联式。 参考文献：
［１］Ｙｏｋｏｙａｍａ Ｔ，Ｎａｇａｎｕｍａ Ｙ，Ｋｕｒｉｙａｍａ Ｋ，ｅｔ ａ１．Ｄｅ— ｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ Ｆｕｅｌ Ｃｅｌｌ Ｂｕｓ［Ｃ］］．ＳＡＥ Ｐａｐｅｒ ２００３－０１—
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 Ｙ．Ｊ．等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ＦＬＯＷＭＡＳ—
图２水泵及风扇转速对燃料电池堆性能的影响
功率无显著影响，随着风扇转速的提高，水泵转速对 电池堆发热功率的影响逐渐增大。图２ｄ表明，随着 风扇和水泵转速的增加，燃料电池发动机的效率呈 下降趋势。
由上述分析可知，运行中如需调整电池堆温度， 应主要通过调节风扇转速实现；若仅在一定范围内 调节水泵转速，可能无法实现调节电池堆温度的目 标；若调节水泵转速至能够影响电池堆温度的范围， 又无法保证电池堆进出口水温温差在合理范围内。 此外，如持续提高水泵转速至一定数值以上，水泵转 速的提高只能增加热管理系统的功耗，造成能量损 失，降低发动机效率，却无法降低燃料电池堆温度。 ２．２ 燃料电池堆性能对热管理系统的影响
收稿日期：２００６—０４—２７；修回日期：２００６—１１—２３ 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
ＴＥＲ２．
１ 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。 １．１ 燃料电池堆模型
震
脚 组５
钇Ｏ
５００
５６
５４
５２ 孚
；５０
较 ４８
ｌ ５００
２ ５００
３ ５００ ４ ０００
风扇转速／ｒ·ｍｉｎ‘ ｂ单片电池电压
１ ５００
２ ５００