我所理解的氢燃料电池(第十章：系统-冷却子系统)

10-3 冷却子系统  

氢燃料电池系统是将化学能转化为电能的装置，有部分反应能量会转化为不可逆热量，其中排气输出热量占比小，所以绝大部分热量需要通过辅助散热带出。燃料电池电化学特性使其对运行的温度有很强的敏感性，因此燃料电池工作温度需要被精确控制，才能保证氢燃料电池正常的运行。  

除了温度本身对电化学反应具有影响外，燃料电池内部水和热同样具有很强的耦合性，温度对内部含水量的影响也会进一步影响燃料电池输出性能。低温会降低燃料电池内部催化活性，同时降低饱和水蒸气压，内部水蒸气易冷凝形成液态水，容易造成电堆出现“水淹”；高温容易引起燃料电池膜和催化材料降解，易造成质子交换膜干涸、局部烧蚀和穿孔等现象。  

对于车用燃料电池系统，其功率较大，电堆集成度高，并且单电池之间散热不一致性很明显，需要设计专用冷却液流道加强实时换热，并通过冷却液将多余热量带出。与稳态工作时不同，动态工况下燃料电池输出在变化的同时产热也不稳定，需要通过反馈控制来调整冷却液温度和流量，从而保证电堆温度稳定性。因此燃料电池系统需要配备散热装置以实时调节电堆的工作温度，即冷却子系统。  

此外，燃料电池系统中的一些关键零部件如空压机、DC/DC 变换器也需要冷却，以维持适宜的工作温度。因此，燃料电池系统的冷却子系统架构主要分为主散热回路和辅助散热回路，分别对应于电堆的散热/ 加热以及辅助器散热，如图10-10、10-11所示。  

图10-10 冷却子系统的主散热回路

图10-11 冷却子系统的辅助散热回路  

10-3-1 冷却水泵  

冷却水泵在燃料电池系统里，是驱动冷却液循环的动力源，如图10-12所示。

图10-12 冷却水泵  

车用燃料电池系统在不同工况（如怠速、加速、高速行驶等）下产热不同，这就要求冷却水泵能够提供可调节的流量，以满足不同的散热需求。比如在大功率输出工况下，电堆产热增加，水泵需提供更大的流量来带走更多热量。同时，冷却水泵还需要具备足够的扬程，克服冷却回路中管道、散热器、电堆等部件的阻力，保证冷却液顺利循环。  

为了不过多消耗燃料电池系统的能量，冷却水泵要具备较高的效率，在提供满足散热需求流量和扬程的同时，尽可能降低自身的能耗。例如采用高效的电机驱动技术和优化的叶轮设计等方式，提高水泵的工作效率。当燃料电池系统的工况快速变化，产热情况也随之改变时，冷却水泵要能够快速响应，及时调整冷却液流量，保证电堆温度的稳定。  

目前车用燃料电池系统中应用较为广泛的是电动水泵，它通过电机驱动叶轮旋转，将电能转化为机械能来输送冷却液。电动水泵可以根据燃料电池系统的实际需求，通过电子控制系统精确调节转速，进而调节冷却液流量。  

10-3-2 散热器组件  

散热器组件在燃料电池系统里，其核心功能是将电堆的热量散发出去。  

在车用燃料电池等大功率应用场景中较为常见的是液冷散热器。通过冷却液在散热器内的流动来传递热量，冷却液从燃料电池电堆吸收热量后，进入液冷散热器，与散热器的金属翅片等结构进行热交换，再通过风扇等辅助设备加速空气流动，将热量散发到外界。液冷散热器散热效率高，能够带走大量的热量，适合对散热要求较高的燃料电池系统。  

散热器组件主要部件有风扇和散热芯体。  

风扇，如图10-13所示，通过强制空气流动，增强空气与散热器之间的热交换。在自然风冷不足以满足散热需求时，风扇发挥关键作用，常见的风扇类型有轴流风扇和离心风扇。轴流风扇具有风量大、结构简单的特点，适用于需要大风量快速散热的场合；离心风扇则能提供较高的风压，适用于空气流动阻力较大的散热器。

散热芯体，是散热器组件实现热量交换的核心部件，通过极大地增加与冷却液或空气的接触面积，高效地将燃料电池产生的热量传递出去。  

管带式，如图10-14所示，由扁管与波形散热带焊接而成。扁管内是冷却液的通道，散热带表面开有鳍状的扰流孔，可破坏空气边界层，增强空气与冷却液之间的热交换效率。比如在一些轻型车用燃料电池散热器中，这种结构因成本相对较低、制造工艺简单而被广泛应用；

图10-14 管带式散热芯体

管片式，如图10-15所示，由扁管和散热片组成，扁管为冷却液通道，散热片紧密排列在扁管周围。这种结构的强度较高，抗振性能好，适用于工作环境较为恶劣的重型燃料电池车辆；

10-3-3 节温器  

节温器在燃料电池系统里，主要用于调节冷却液的循环路径，如图10-16所示，主要原理是弹簧与石蜡的热胀冷缩之间的往复运动。

图10-16 节温器  

当燃料电池启动或处于低温工况时，节温器关闭大循环（通往散热器的路径），让冷却液仅在电堆内部小循环，快速提升电堆温度至理想工作区间，减少低温对电堆性能和寿命的影响（如膜电极冻裂、催化剂活性降低）；  

当电堆温度过高时，节温器打开大循环，让冷却液流经散热器散热，避免电堆过热导致膜电极脱水、催化剂烧结等故障。  

目前，燃料电池系统中常用的节温器类型主要有蜡式节温器和电子节温器两种，以下是对它们的介绍：  

蜡式节温器，它是利用液体受热膨胀及液体不可压缩的原理实现自动调节。当冷却液温度变化时，内部的石蜡会发生相变，从而推动阀门动作，实现冷却液大循环和小循环的切换。这种节温器结构简单、成本较低，在乘用车等领域有一定的应用。不过，它存在响应滞后、控温精度不高、可能会出现微小泄漏等问题。  

电子节温器，主要通过CAN 通讯来控制阀门开度。它可以根据燃料电池系统的实际需求，精准地调节冷却液的流量和循环路径。与蜡式节温器相比，电子节温器的响应速度更快，能够更及时地对温度变化做出反应，控温精度也更高，可以将温度波动控制在较小的范围内，从而更好地保证燃料电池的性能和寿命。同时，它还可以与燃料电池的控制系统进行更紧密的配合，实现更智能化的热管理。但电子节温器的成本相对较高，对控制系统的要求也更复杂。  

此外，还有一种电机式节温器，它完全摒弃了石蜡的特性，直接通过电机控制阀门的开启和闭合，能够在短时间内完成从全开到全闭的过程，大大提高了响应速度，而且在工作温度区间内，各个温度点都可以实现全开和全闭，也比较适合燃料电池系统对温度调节的应用。不过，它目前的应用范围可能相对前两种来说，没有那么广泛，还处于研发测试阶段。  

10-3-4 冷却液  

燃料电池系统的冷却液是热管理系统的核心介质，其性能直接影响电堆的温度控制精度、寿命及能量效率。需要用合适的冷却液将燃料电池系统内部产生的热量进行热交换并带出燃料电池堆内部进行散热。同时燃料电池工作时，若冷却液中含有过高的离子浓度，将会对燃料电池堆产生损害，对燃料电池堆性能产生影响。因此燃料电池系统冷却液需满足较低的离子浓度、抗冻性、耐腐蚀性。  

目前常用的冷却液主要有去离子水和水乙二醇混合物。  

使用去离子水有许多优点：成本低、无毒、来源广、比热高4.18kJ/（kg・K）、导热系数高0.6 W/(m・K)；乙二醇的比热是2.72kJ/（kg・K），同体积的去离子水能带走的热量高于乙二醇。  

同时去离子水也有以下局限性：  

冰点高，温度低于0℃时，水结冰后会使体积增加，易造成水箱或者冷却系统管路胀裂；沸点较低，夏季高温时整个系统处于苛刻条件下工作，水温升高甚至沸腾，影响燃料电池堆正常工作；溶解在去离子水中的金属盐类受热后形成水垢，降低传热率；去离子水会使金属生锈。  

当乙二醇与水以一定体积混合后，冰点可达-60℃以下，而沸点在 110℃以上；加入防锈剂后pH 维持在 8-10，不腐蚀金属；粘度适中，造成水泵的功耗较低，是一种较为理想的冷却液。  

燃料电池在长期运行过程中会产生金属离子进入冷却液中，或者是部件工作过程中由于腐蚀产生金属离子，造成整体或者局部离子浓度增高，所以在燃料电池冷却系统中需配备合适的去离子装置，控制冷却系统的离子浓度。