通過收集燃料電池堆的電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水，并向車輛的散熱器進(jìn)行噴淋水霧實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)相變冷卻，可以有效提升氫能重卡燃料電池系統(tǒng)的散熱能力。本文分享現(xiàn)代汽車公司搭載NEXO燃料電池車輛進(jìn)行的蒸發(fā)冷卻方法驗(yàn)證。

圖1 現(xiàn)代汽車公司HTWO燃料電池系統(tǒng)

01技術(shù)背景

在燃料電池汽車中，熱管理的對(duì)象是燃料電池堆。有效的熱管理對(duì)于提升系統(tǒng)整體效率、延長材料壽命進(jìn)而提升整車壽命至關(guān)重要。即使在高功率運(yùn)行條件下，也必須高效調(diào)節(jié)冷卻系統(tǒng)以保持電堆內(nèi)整個(gè)發(fā)電面積的溫度均勻分布和在規(guī)定的最高運(yùn)行溫度范圍內(nèi)。

圖3 現(xiàn)代氫能重卡燃料電池系統(tǒng)

相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，因燃料電池的常用工作溫度要低40℃左右，燃料電池汽車散熱器內(nèi)冷卻液和外部環(huán)境空氣溫差大約要比傳統(tǒng)燃油車小50%。因此，為了達(dá)到與內(nèi)燃機(jī)相同的性能，有必要根據(jù)溫差將散熱器的冷卻能力提高兩倍。關(guān)于熱管理，在當(dāng)前商業(yè)領(lǐng)域，研究和開發(fā)重點(diǎn)是擴(kuò)大散熱器的尺寸來增加換熱面積，提高冷卻風(fēng)扇能力來增加空氣換熱流量，增加冷卻液流量來促進(jìn)熱傳遞。

蒸發(fā)相變冷卻以其冷卻方法的高效而聞名，廣泛應(yīng)用于大型熱交換設(shè)施，如軋鋼、渦輪機(jī)等。目前，蒸發(fā)相變冷卻這項(xiàng)技術(shù)已被汽車行業(yè)采用，通過在高性能汽車的中冷器上噴水來提高散熱性能。然而，它的缺點(diǎn)是需要持續(xù)的供水進(jìn)行噴淋。燃料電池的原理是氫氣和氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生水。因此，利用燃料電池汽車的獨(dú)特屬性，可以開發(fā)一個(gè)系統(tǒng)來回收產(chǎn)物水并對(duì)散熱器進(jìn)行噴淋實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻?，F(xiàn)代汽車公司的FCEV清潔車已有一個(gè)開發(fā)案例，它通過收集水和使用便攜式洗臉盆來改善工人的衛(wèi)生條件。在這種情況下，向散熱器噴淋燃料電池堆的產(chǎn)物水進(jìn)行蒸發(fā)冷卻是一種合適的方法，解決了燃料電池車輛在高溫環(huán)境下高負(fù)載條件下出現(xiàn)的冷卻能力不足問題。

圖4 現(xiàn)代汽車公司搭載NEXO回收水和蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)

現(xiàn)代汽車公司本次研究旨在確定影響蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)冷卻性能的變量，為開發(fā)新型冷卻系統(tǒng)進(jìn)行儲(chǔ)備。首先，針對(duì)噴淋面積，通過數(shù)值分析研究了噴淋角度、噴淋位置和噴淋速度的影響。其次，通過搭載NEXO車輛改變噴淋角度、噴嘴位置、噴淋流量和噴淋壓力，實(shí)際驗(yàn)證了蒸發(fā)冷卻性能的定量改善。

圖5 現(xiàn)代汽車公司搭載FCEV蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

為了便于噴嘴安裝和測試評(píng)估，現(xiàn)代汽車公司在NEXO上搭建了上圖5所示的蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)。噴嘴位置見下圖6所示，距離散熱器距離為50 mm，其中A面向散熱器高溫區(qū)域，B面向整體。試驗(yàn)環(huán)境條件參考北美沙漠地區(qū)的環(huán)境，設(shè)定為室溫45°C，濕度20%，太陽輻射1000 W/m2。為了防止FCEV電堆過載，電堆冷卻劑溫度只允許升高到85°，如果超過85℃，輸出功率將受限制以防止過載，行駛速度也降低。因此，實(shí)驗(yàn)在輸出功率不受限制的最大負(fù)載下運(yùn)行，散熱器入口溫度即電堆出口溫度為85°C。因此，基于85°C的參考溫度對(duì)車輛施加了1850 N的牽引力。此外，評(píng)估是在車輛以100 km/h的速度在室內(nèi)行駛的條件下進(jìn)行的。

圖6 現(xiàn)代汽車公司搭載FCEV蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)

通過對(duì)噴淋角度、噴淋壓力、噴淋質(zhì)量流量和噴淋位置的評(píng)估，現(xiàn)代汽車公司分析了各因素對(duì)蒸發(fā)冷卻性能的影響。通過比較噴淋前后散熱器入口溫度，驗(yàn)證了蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)的性能。噴淋前的散熱器入口溫度在表中通過“initial”表示，噴淋后的溫度通過“final”表示。為定量比較，兩者間溫差ΔT被用作評(píng)價(jià)指標(biāo)，用來表示由于噴淋效應(yīng)帶來的冷卻性能提升。

表1 蒸發(fā)冷卻性能評(píng)估案例

下圖7為噴淋角度對(duì)蒸發(fā)冷卻性能的影響，case1、2和3的噴淋角度分別為110、95和80°?？梢钥吹?，隨著噴淋角度增加，冷卻性能改善，散熱器的入口溫度最高降低了14.1°C。這是因?yàn)楦鶕?jù)噴淋面積和蒸發(fā)速率之間的關(guān)系，噴淋角度增加，每單位時(shí)間蒸發(fā)的水更多，散熱量更大。

圖7 噴淋角度影響

下圖8展示了在case1和4中相同噴淋面積下噴嘴位置變化對(duì)冷卻性能的影響。根據(jù)一般預(yù)測，當(dāng)噴嘴集中在散熱器上部的較熱冷卻劑時(shí)，溫差會(huì)更大，蒸發(fā)效果也會(huì)更大。然而，噴嘴位置A和B的實(shí)測結(jié)果與預(yù)測不同，兩者的實(shí)際冷卻性能相當(dāng)。這是因?yàn)?，保險(xiǎn)杠和進(jìn)氣格柵起到了阻流器的作用。

圖8 噴淋位置影響

下圖9通過case1、5和6展示了噴淋流量和冷卻性能的關(guān)系。隨著噴淋流量增加，冷卻性能改善。噴淋的流量分別為0.4、0.6和0.8 LPM，最大溫降達(dá)到了17.6 °C。從圖中可以看到，在FC系統(tǒng)應(yīng)用蒸發(fā)冷卻方法前，散熱器入口溫度最高在85℃，而在系統(tǒng)應(yīng)用后散熱器入口溫度降至67.5℃，下降達(dá)17.6°C。這表明總換熱量隨著蒸發(fā)流量的增加而增加。然而，散熱器入口溫度在0.6 LPM后表現(xiàn)相近。這表明，由于環(huán)境條件，可以蒸發(fā)的水流量有限。并且隨著水流入速率的增加，很難實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步的冷卻改善。因此，在這些條件下可以觀察到冷卻改善的飽和點(diǎn)，并通過實(shí)驗(yàn)確定了最佳流量條件。

圖9 噴淋流量影響

下圖10通過case7和8展示了噴淋壓力和冷卻性能的關(guān)系。通過在相同條件下將噴淋壓力改變?yōu)?bar和1bar，觀察到噴淋壓力變化引起的冷卻劑溫度的變化。噴淋后的冷卻液溫度均下降收斂到69.5°C，表明噴淋壓力幾乎沒有影響。這與上圖所示的結(jié)果一致，噴淋壓力的增加通常將導(dǎo)致單位時(shí)間內(nèi)更多的水霧沿氣流方向移動(dòng)，然而由于保險(xiǎn)杠和進(jìn)氣格柵的阻力效應(yīng)，大量的水沒有與散熱器接觸?？紤]到阻力影響，預(yù)計(jì)高壓噴淋在更換噴淋位置后會(huì)有更大的降溫效果。

圖10 噴淋壓力影響

在空調(diào)冷凝器中也觀察到了蒸發(fā)冷卻帶來的性能改善。當(dāng)蒸發(fā)冷卻效應(yīng)降低了冷凝壓力，冷凝器的負(fù)載也降低，導(dǎo)致壓縮機(jī)功耗降低。特別地，如下表2所示，在case1條件下觀察到壓縮機(jī)功耗最大減少了57%。此外，預(yù)計(jì)它不僅可以通過降低功耗來減少電堆負(fù)載，還可以解決電動(dòng)汽車因空調(diào)運(yùn)行降低續(xù)航的問題。這項(xiàng)技術(shù)被認(rèn)為是一項(xiàng)非常有前景的技術(shù)，不僅限于FCEV。

表2 空調(diào)壓縮機(jī)功耗對(duì)比

在這項(xiàng)研究中，現(xiàn)代汽車公司提出了一種新型的冷卻系統(tǒng)，即利用電堆電化學(xué)反應(yīng)收集的冷凝水噴淋在散熱器實(shí)現(xiàn)蒸發(fā)冷卻?；诖?，現(xiàn)代汽車公司搭載在NEXO燃料電池車輛上設(shè)計(jì)了一個(gè)蒸發(fā)冷卻系統(tǒng)，通過考慮噴嘴安裝的便利性和經(jīng)驗(yàn)性能評(píng)估來選擇最佳的噴嘴規(guī)格和位置。通過評(píng)估，可以將散熱器的入口冷卻液溫度最高降低17.6°C，從而驗(yàn)證了蒸發(fā)冷卻方法的有效性。此外，現(xiàn)代還驗(yàn)證了空調(diào)系統(tǒng)的壓縮機(jī)功耗最大降低了57%。