摘 要：隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，環(huán)境問題日益突出，而傳統(tǒng)汽車作為一個(gè)重要的污染源，如何對(duì)汽車的排放進(jìn)行控制已經(jīng)成為一個(gè)廣泛而重要的課題；同時(shí)全球石油資源的枯竭也迫使人們?nèi)ふ乙环N替代燃料以緩解能源危機(jī)，氫燃料電池汽車便應(yīng)運(yùn)而生了。氫燃料電池汽車因?yàn)槠渥陨硖匦缘脑?，在散熱上同傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車相比面臨著更嚴(yán)峻的問題，散熱器的散熱可以考慮通過加大風(fēng)扇的功率、增加散熱器的面積以及改變散熱器的布置位置來(lái)實(shí)現(xiàn)。

前  言

氫燃料電池工作方式與蓄電池等常規(guī)化學(xué)電源不同，它的燃料及氧化劑儲(chǔ)存在電池外，當(dāng)電池工作時(shí)，連續(xù)向電池內(nèi)送入燃料及氧化劑，產(chǎn)生電能。因而燃料電池是一種發(fā)電裝置而非電能的儲(chǔ)存裝置。另外，它還具有燃料多樣化、排氣干凈、噪聲低、對(duì)環(huán)境污染小、可靠性高及維修性好等優(yōu)點(diǎn)。

1 冷卻系統(tǒng)原理

單獨(dú)的燃料電池堆是不能發(fā)電并應(yīng)用于汽車的，它必須和燃料供給與循環(huán)系統(tǒng)、氧化劑供給系統(tǒng)、水/熱管理系統(tǒng)和一個(gè)能使上述各系統(tǒng)協(xié)調(diào)工作的控制系統(tǒng)組成燃料電池發(fā)電系統(tǒng)，才能對(duì)外輸出功率。目前最成熟的技術(shù)還是以純氫為燃料，而且系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，僅由氫源、穩(wěn)壓閥和循環(huán)回路組成。

氫燃料電池汽車的散熱卻是一大難點(diǎn)，主要原因如下：（1）由于電池的不可逆性而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱。（2）由于歐姆極化而產(chǎn)生的焦耳熱。（3）加濕氣體帶入的熱量。（4）吸收環(huán)境輻射熱量。

其中，由于電池的不可逆性產(chǎn)生的廢熱占到轉(zhuǎn)化的化學(xué)能的50%甚至更多。電池排出的尾氣、電池堆的輻射和循環(huán)水可以從電池堆中帶走熱量。由于排氣溫度只能在70℃左右，因此通過排氣的散熱遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能同傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)在幾百度的排氣溫度下所能達(dá)到的效果相比，實(shí)際計(jì)算表明燃料電池的排氣散熱只占總散熱量的3%～5%左右。對(duì)于輻射散熱，不管是燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)還是內(nèi)燃機(jī)，只占很小一部分，而對(duì)于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)而言，輻射散熱大約占1%左右。因此，大約有95%的熱量需要通過冷卻水來(lái)帶走，而對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)而言這個(gè)數(shù)值只有50%左右，由此可見燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱量相對(duì)較高。另外，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻水是工作在環(huán)境溫度和電池的工作溫度之間，這個(gè)溫差明顯要小于內(nèi)燃機(jī)冷卻水工作的溫差，相差大約30℃，可見燃料電池散熱器的散熱更為艱難。

為了滿足不同散熱部件的散熱要求，燃料電池汽車通常有不止一個(gè)的冷卻系統(tǒng)，每個(gè)冷卻系統(tǒng)相互獨(dú)立。氫燃料電池冷卻系統(tǒng)（主要給氫燃料電池和中冷器冷卻）、PCU冷卻系統(tǒng)（主要給PCU、驅(qū)動(dòng)電機(jī)和空壓機(jī)冷卻）、動(dòng)力電池冷卻系統(tǒng)（主要給動(dòng)力電池冷卻），冷卻系統(tǒng)原理如圖1所示。


圖 1 冷卻系統(tǒng)原理圖

2 氫燃料電池汽車的散熱解決方案

燃料電池汽車的散熱解決方案散熱器的散熱同其散熱面積、風(fēng)速、進(jìn)出口水溫差、空氣側(cè)與水側(cè)的溫差成正比，在進(jìn)出口溫差不變的情況下，若要使散熱量增大則需要通過下面的途徑來(lái)達(dá)到。

（1）增大進(jìn)氣風(fēng)速。在其他外在條件不變的情況下，想要增大風(fēng)速就需要增大風(fēng)扇的功率，同時(shí)為了布置方便，改進(jìn)功率后風(fēng)扇的體積不能太大。根據(jù)設(shè)計(jì)計(jì)算和試驗(yàn)研究，選用一臺(tái)800W的風(fēng)扇，較好地解決了散熱問題，但這樣帶來(lái)的問題是附屬設(shè)施功耗的增加。

（2）增大散熱面積。為了增大散熱面積，需要更大的散熱器，這同樣帶來(lái)了一個(gè)散熱器的布置問題。汽車的前艙空間比較緊湊，增大散熱器面積在汽車前艙的布置中將會(huì)非常困難。

某型燃料電池汽車采用了散熱器分開布置的方式，如圖2所示。它采用兩個(gè)散熱器依次布置在進(jìn)氣隔柵后面；同時(shí)考慮到若將冷凝器布置在散熱器后面將遇到空間不足的問題，空氣在經(jīng)過散熱器后已經(jīng)有很大的溫升，此時(shí)作為冷凝器的進(jìn)氣已經(jīng)不太適合，所以將冷凝器布置在側(cè)面。

采用分塊布置的方式可以有效解決單塊大散熱器不易布置的問題，但是同樣也面臨著布置這些散熱器所面臨的空間不足以及進(jìn)氣口處理的問題，這需要在車身的形狀上進(jìn)行相關(guān)改動(dòng)以進(jìn)行配合。


圖 2 某型散熱器總成布置示意圖

（3）改變散熱器的位置。若將冷凝器置于散熱器之前，空氣在經(jīng)過冷凝器之后將會(huì)產(chǎn)生一定的溫升，這樣將使進(jìn)入散熱器的空氣溫度同冷卻水溫度之間的差距進(jìn)一步縮小，導(dǎo)致了換熱更加困難。除了上述方案也可以采用如圖3的布置方式，將冷凝器置于散熱器之后，優(yōu)先考慮到電池堆的散熱，采用兩個(gè)冷凝器散熱的方式，這樣將有效地降低散熱器氣側(cè)的溫度，有利于電池堆的散熱，同時(shí)兩個(gè)冷凝器也能夠滿足空調(diào)換熱的需要。


圖 3 另一型散熱器總成布置示意圖

3 結(jié)語(yǔ)

氫燃料電池汽車以其眾多優(yōu)點(diǎn)代表了未來(lái)汽車的發(fā)展方向，但仍然面臨著諸多困難，其工作特性決定了燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的散熱要比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)汽車更為困難。為了解決這個(gè)問題，我們可以考慮下面3個(gè)方案：大功率的風(fēng)扇；增大散熱面積；散熱器位置的改變。相信隨著對(duì)燃料電池工作溫度范圍窄等缺點(diǎn)。使用超級(jí)電容作為輔助動(dòng)力源可以緩解加速、爬坡時(shí)對(duì)動(dòng)力電池的大電流沖擊，并能及時(shí)回收制動(dòng)時(shí)的能量，可以大電流充放電，且循環(huán)壽命長(zhǎng)，因此超級(jí)電容將成為以后燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)的一種方案。

作者：佟向旭，王 成
長(zhǎng)城汽車股份有限公司