1研究背景质子交换膜(PEM)燃料电池汽车具有高效率、低污染等优点[1]。但现有车用PEM燃料电池存在散热效率低的问题，电池工作不稳定[2]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)的工作温度一般为70 ℃左右[3]，主要利用冷却介质带走电堆中产生的热。目前针对车用燃料电池散热系统的研究较少，大部分燃料电池散热系统均借鉴内燃机的散热系统设计，冷却水通过电堆内流道后经由前舱散热器散热。但传统内燃机的电堆温度与环境温差小、内部工作要求与燃料电池不同，不完全适用于燃料电池。热管换热技术能够低成本、高性能地利用自然冷源[4-6]。传统热管系统的驱动力为重力以及蒸发器处由于工质蒸发所产生的浮升力，但是该驱动力在系统管路布置复杂或超过一定长度时将不能维持系统正常运行。泵驱动回路热管换热机组利用泵克服系统阻力，适用于复杂或较长的管路系统，可以加快系统中工质的循环速度，提高换热器的相变换热性能。2燃料电池散热系统设计2.1系统结构及循环理论PEMFC散热系统结构如图1所示。PEMFC散热系统包含1个加热器、两个换热器及1个储液罐，两个节温器用于辅助优化调节。PEMFC处于正常工作模式时，储液罐内55 ℃的冷却液泵入电堆内部，电堆内部蒸发器内工质吸收蒸发器壁面的热量，温度上升至相变温度(61 ℃)时开始沸腾，蒸发气体形成气化核心并逐渐增大，蒸汽气泡所受浮力足够大时，气泡上浮至蒸发器出口，进入蒸发器出口管路。由于电堆温度高于冷却液沸点温度，此时冷却液流动状态主要是泡状和弹状，冷却液在电堆内部沸腾吸热，使电堆内部温度保持65~75 ℃。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F001图1PEMFC散热系统结构蒸发器产生的蒸汽进入冷凝器冷凝。65 ℃的制冷剂蒸汽进入冷凝器，处于真空状态的管路压力增加。在压差的作用下，蒸汽在冷凝器中流动并进行换热，冷凝后的冷却液较之前的蒸汽状态体积更小，使得冷凝器中后段依然可以保持较低的压力，冷却液离开冷凝器流经储液罐，再次进入蒸发器完成循环。2.2理论设计计算电堆内部的能量表现为化学反应过程中反应物和生成物之间的焓变ΔH，为285.8 kJ/mol。H2+12O2→H2O (1)假设未参与反应的氢气对系统无影响。燃料电池系统的热传递只考虑气体及生成水的散热量和冷却水散热量，单位时间内燃料电池系统的散热功率Qdis为：Qdis=qsens+qcool+qrad (2)式中：qsens——气体及生成水散热量，kW；qcool——冷却水散热量，kW；qrad——生成水散热量，kW。气体及生成水的散热量qsens[7]为：qsens=qsens,an+qsens,ca (3)式中：qsens,an——阳极气体及水的散热量，kW；qsens,ca——阴极气体及水的散热量，kW。根据热平衡方程，冷却水散热量qcool为：qcool=WclCp,H2O,L(Tst-Tst,in) (4)式中：Wcl——冷却水流量，m3/h；Cp,H2O,L——冷却水的比热容，kJ/(kg·K)；Tst——冷却水出水温度，℃；Tst,in——冷却水进水温度，℃。散热器温度为散热器进出口冷却水温度的平均值。Theatsink=Tst+Theatsink,out/2 (5)式中：Theatsink,out——散热器出口冷却水温度，℃。散热器热量平衡关系如下：ρwVheatsinkCp,H2O,LdTheatsinkdt=qcool,heatsink-qfan (6)qcool,heatsink=KbvWclCp,H2O,LTst-Theatsink,out (7)式中：ρw——冷却水密度，kg/m3；Vheatsink——冷却水体积，m3；qcool,heatsink——散热器中冷却水的散热功率，kW；qfan——散热器风扇的散热功率，kW；Kbv——换热系数，取0.9。2.3传热系数水流被视为层流，单相水冷法中冷却剂的传热系数hwater为：hwater=NuwaterκwaterDh (8)式中：Nuwater——努赛尔数；κwater——冷却水导热系数，W/(m·K)；Dh——当量直径，m。局部蒸汽质量x为：xz=Qcoolantz-m˙coolamtTsatz-Tcoolantim˙coolamthlvc (9)式中：Qcoolant——冷却剂的传热量，kW；m˙coolamt——冷却剂的流量，kg/s；Tsat——冷却剂的局部饱和温度，℃，该温度因压降沿通道变化；Tcoolanti——冷却剂的温度，℃；hlv——相变过程中的焓变，kJ/kg。选择冷却剂时应考虑其应用和工作条件。HFE-7100具有极好的惰性、高密度、低黏度、低表面张力等优良性能；而且具有不燃、无毒、无腐蚀性、挥发无残留等特性，广泛应用于电子精密清洗、电子元件测漏液、导热冷却液、溶剂稀释剂等。针对PEMFC，HFE-7100的沸点合适，且两相HFE-7100冷却系统使PEMFC能够保持适当的温度。本研究使用HFE-7100作为冷却液，比水冷系统具有更好的温度均匀性。标准大气压条件下，HFE-7100的沸点为61 ℃，熔点/凝固点为-135 ℃，汽化潜热为112 kJ/kg；标准大气压、25 °C条件下，液体密度为1 510 kg/m3，比热容为1 183 J/(kg·K)，表面张力为13.6 mN/m；臭氧消耗潜能(ODP)为0，全球变暖潜能(GWP)为320。使用HFE-7100的实验关联式计算两相传热系数[8]。hHFE7100=-2.9VS4+40.3VS3-112.3VS2-84.9VS+2 354.1 (10)式中：hHFE7100——两相传热系数，W/(m2·K)；VS——冷却通道内表面速度，m/s。3实验结果分析设定冷却液/水进口温度为60 ℃，标准大气压，流速为4 g/s，单燃料电池及测点布置如图2所示。通过改变负载条件对比两种冷却方式下电堆内部温度分布，水冷方式和两相冷却方式下燃料电池的温度分布如图3和图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F002图2单燃料电池及测点布置图3水冷方式下燃料电池的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F3a1（a）0.65 V10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F3a2（b）0.55 V图4两相冷却方式下燃料电池的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F4a1（a）0.65 V10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F4a2（b）0.55 V由图3和图4可知，采用单相水冷法，电池电压高（低负载条件）时温度分布相对均匀；电池电压低（高负载条件）时温度分布更加分散，水在通道中流动，温度不断升高，电池温度沿通道线性升高，达到80 ℃左右；两相冷却方式下，HFE-7100在通道内吸热沸腾，由于压降导致局部饱和度沿通道降低，因此单元温度略有降低。不同条件下单个燃料电池的最高和最低温度如图5所示。两相冷却方式下温差受负载条件的影响较小，对于各种负载条件，两相冷却方式电池温度分布更均匀。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F005图5不同条件下单个燃料电池的最高和最低温度冷却液进口压力为130 kPa时电池的温度分布如图6所示。与图4(b)相比，冷却液压力高导致局部饱和温度升高，但冷却液进口温度保持60 ℃，HFE-7100的单相传热区域变长，进口区域内电池温度线性上升的长度变长。饱和温度升高会导致沸腾开始后电池温度总体升高。10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F006图6冷却液进口压力为130 kPa时电池的温度分布采用两相HFE-7100冷却方式的单燃料电池在不同冷却液流速下的温度分布如图7所示。对于两相冷却法，温度分布随HFE-7100流量的变化不明显，两相传热系数取决于热通量、蒸汽质量和质量流量。根据实验结果，在低蒸汽质量下，两相传热系数与质量流速无关。图7采用两相HFE-7100冷却方式的单燃料电池在不同冷却液流速下的温度分布10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F7a1（a）3 g/s10.3969/j.issn.1004-7948.2024.01.001.F7a2（b）6 g/s4结语采用新型环境友好型冷却液解决了大功率燃料电池散热效率低、内部温度分布不均匀问题，控制燃料电池内部温度为65~75 ℃，电堆内部温差在5 ℃以内。两相冷却方法冷却液的潜热值远大于水的显热值，需要的冷却液质量少，降低了系统体积及泵的能耗。