燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计
燃料电池汽车的热与水管理性能评估
燃料电池汽车的热与水管理性能评估随着环境污染日益加剧，全球对新能源汽车的需求越来越大。
燃料电池汽车作为一种新型的绿色能源汽车，在近年来逐渐受到人们的关注。
作为一种高效、环保的节能汽车，燃料电池汽车已经成为了未来汽车发展的方向之一。
在燃料电池汽车的发展中，热与水管理系统是非常重要的一个方面。
本文就来对燃料电池汽车的热与水管理性能进行一次评估。
一、燃料电池汽车的基础构成燃料电池汽车是指以燃料电池作为能源并驱动电动机运行的汽车，其基础构造包括燃料电池、电动机以及电池组等。
燃料电池汽车的热与水管理系统是由氢气质量传感器、水分子传感器、氢气消耗传感器、氢气流量计、催化剂、氧化剂、水循环泵、水类型检测和控制装置、水箱以及温控器等组成。
二、燃料电池汽车的热管理性能评估燃料电池汽车在其使用中会产生大量的热量，因此其热管理系统至关重要。
燃料电池汽车的热管理系统主要是通过热交换器的方式来进行热量的传递。
其性能评估主要是通过热交换器的传热系数来进行标准化的对比测试。
同时，在控制燃料电池汽车的热管理时还要考虑环境温度的影响，保证燃料电池汽车的正常运行。
三、燃料电池汽车的水管理性能评估燃料电池汽车在运行期间会产生大量的水，如果不加以管理就会对燃料电池汽车的性能产生不利影响。
因此，燃料电池汽车的水管理系统也相当重要。
燃料电池汽车的水管理系统主要是通过电化学水分解的方式来控制水的生成和消耗。
其性能评估主要是通过水循环泵和水箱的传感器来进行标准化的测试。
四、燃料电池汽车的综合性能评估综合性能评估主要考虑燃料电池汽车在整个使用过程中的性能表现。
其综合性能评估主要是通过燃料电池汽车在标准道路条件下的行驶里程、车速、加速性能以及燃料电池汽车在不同环境下的最高工作温度、最低工作温度等指标进行标准化的测试。
同时，还要考虑燃料电池汽车的使用寿命以及维护保养成本等因素，从而综合评估燃料电池汽车的可靠性、经济性和环保性。
综上所述，燃料电池汽车的热与水管理性能评估对于燃料电池汽车的研发和应用具有重要的意义。
燃料电池汽车热管理系统设计与优化
燃料电池汽车热管理系统设计与优化随着环境保护意识的提高以及对传统燃油车辆的限制措施，燃料电池汽车作为一种清洁、高效的替代能源车型正逐渐受到广泛关注。
而燃料电池汽车的热管理系统则是其关键技术之一，直接影响着燃料电池的性能和寿命。
本文将重点探讨燃料电池汽车热管理系统的设计与优化。
燃料电池的工作原理是通过将氢气与氧气进行化学反应生成电能，同时产生热能。
热管理系统的主要任务就是确保燃料电池的温度处于适宜的工作范围内，避免过热或过冷的情况发生。
首先，燃料电池汽车热管理系统设计需要考虑燃料电池的稳定工作温度。
燃料电池的最佳工作温度通常在65-85摄氏度之间。
因此，在设计热管理系统时，必须确保燃料电池能够在这一温度范围内工作，并且避免因过热或过冷而导致系统性能下降或损坏。
其次，热管理系统需要满足燃料电池汽车的动态热负荷需求。
在不同的工况下，燃料电池的热负荷会有所不同。
因此，热管理系统应具备自适应能力，能够根据实时工作条件调整热量的传输和分配。
例如，在低温环境下，可以通过预热系统来提高燃料电池的工作温度，以保证其正常运行。
此外，为了优化热管理系统，可以采用多种技术手段。
首先，采用高效的散热材料和散热器结构，以提高热量的传输效率。
其次，可以采用动态冷却系统，通过根据需要调节风扇的转速和散热介质的循环速度，来实现对燃料电池的精确控温。
另外，利用热回收技术来回收燃料电池产生的热能，以供车辆内部的其他部件使用，可以进一步提高能源利用效率。
除了上述的设计原则和优化手段外，还需要充分考虑热管理系统的可靠性和安全性。
燃料电池汽车是一种工程复杂性很高的系统，其中的热管理系统不仅要保证系统的正常工作，还需要在各种异常情况下能够及时做出响应，比如过热保护、过压保护等。
因此，在设计过程中，需要充分考虑各种故障的可能性，并设置相应的保护措施。
最后，燃料电池汽车热管理系统的设计与优化也需要考虑与整车其他系统的协调性。
热管理系统与动力系统、电控系统等紧密关联，需要与其他系统进行联动控制，以实现整车的协同工作。
氢燃料电池汽车水、热管理_电动汽车技术PPT
AUTOMOTIVE ENGINEERING RESEARCHINSTITUTE
开放
变革
创新
1 氢燃料电池汽车水、热管理概述 2 氢燃料电池水、热管理技术 3 氢燃料电池汽车水、热管理主要构型 4 热管理团队简介
氢燃料电池汽车水、热管理概述
水、热管理是燃料电池动力系统研究与开发的核心关键技术之一，对 整车动力系统的性能、安全和寿命具有决定性影响。
Battery
H2
Battery
14/17
燃料电池汽车水、热管理主要构型
现代NEXO
15/17
AERI热管理团队
2011年成立热管理团队，到目前为止拥有专业的开发团队、国际一流的从整 车到零部件的测试设备、软件资源、完善的项目开发及管理流程。
以基础数据库、1D/3D仿真、试验验证为手段，为客户提供冷却、空调系统 匹配开发、热管理系统正向开发及优化提升、热管理控制策略制定及标定、 测试验证等服务，车型覆盖传统车及新能源汽车。
2014 燃料电池 镍氢电池1.6KWh
114
-30℃ 70MPa(2)
3.1
180
650
本田 clarity
2016 燃料电池 锂离子电池1.3KWh
103
-30℃ 70MPa(2)
3.1
170
750
现代 NEXO
2018 燃料电池 锂离子电池1.56KWh
95
-30℃，40s 70MPa(3)
3.11
Development of Compact and High-Performance Fuel Cell Stack.SAE 2015-01-1175
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燃料电池汽车热管理系统及策略分析
燃料电池汽车热管理系统及策略分析新疆中泰化学阜康能源有限公司热电厂新疆乌鲁木齐831500摘要：燃料电池汽车作为一种新型的清洁能源交通工具，具有零排放、高能效和无噪音等优势。
然而，由于燃料电池的特性和工作原理，燃料电池汽车的热管理成为其稳定运行和寿命延长的关键。
燃料电池汽车热管理系统的设计和策略对于提高燃料电池汽车的热效率、保证系统安全稳定以及降低成本具有重要意义。
基于此，以下对燃料电池汽车热管理系统及策略进行了探讨，以供参考。
关键词：燃料电池汽车；热管理系统；策略分析引言燃料电池汽车热管理系统的目标是通过合理的热能调控，维持燃料电池堆和相关组件的适宜温度范围，同时最大限度地利用热能。
根据不同情况，热管理策略可以调整燃料电池堆的工作温度、热能的分配与利用，以及湿度的调节控制，从而实现优化的热能管理。
1燃料电池汽车热管理系统优化的重要性燃料电池汽车的热管理系统是保持整个系统工作稳定的关键，它能够有效地控制和调节燃料电池堆的温度，并确保其他部件处于适当的工作状态。
热管理系统的优化对于提高燃料电池汽车的性能和可靠性至关重要。
热管理系统的优化可以提高燃料电池的效率。
燃料电池的工作温度范围通常在60°C到80°C之间，而在这个温度范围内，燃料电池的效率最高。
通过合理的热管理系统设计和优化，可以确保燃料电池堆始终保持在最佳的工作温度，从而提高燃料电池的功率输出和能源利用效率。
热管理系统的优化可以延长燃料电池的寿命。
燃料电池的堆件材料对温度敏感，过高或过低的温度都会加速材料的老化和损坏。
通过合理的冷却和加热措施，热管理系统可以有效地维持燃料电池堆在适当的温度范围内，减少材料的老化速度，延长燃料电池的使用寿命。
热管理系统的优化能够提高燃料电池系统的安全性。
燃料电池在工作过程中会产生大量热量，若不能及时而有效地排出，可能会引发过热甚至起火等严重安全问题。
通过科学设计和优化热管理系统，可以确保热量的有效散发和排出，降低燃料电池系统过热的风险，保障车辆和乘客的安全。
燃料电池控制系统研发建设方案(二)
燃料电池控制系统研发建设方案实施背景：随着中国能源结构的转型，对清洁能源的需求日益增长。
燃料电池作为一种环保、高效的能源转换装置，逐渐受到青睐。
其中，燃料电池控制系统作为燃料电池系统的核心组成部分，对于提高燃料电池的性能、稳定性及降低成本具有关键作用。
近年来，中国在燃料电池控制系统研发方面取得了一定成果，但仍存在诸多技术瓶颈，亟待突破。
工作原理：燃料电池控制系统主要由燃料供应系统、空气供应系统、水管理系统、电控系统等组成。
通过精密控制各系统的运行参数，实现燃料电池的高效运行。
具体来说，电控系统根据电池的运行状态，实时调整燃料供应、空气供应及水管理系统的运行参数，确保电池的稳定运行。
实施计划步骤：1.需求分析：对燃料电池控制系统的需求进行深入分析，包括性能、稳定性、成本等方面。
2.技术研究：开展燃料供应、空气供应、水管理及电控系统等相关技术的研究，解决关键技术难题。
3.方案设计：根据需求分析和技术研究的结果，设计燃料电池控制系统的方案。
4.系统开发：按照设计方案，开发燃料电池控制系统，并进行初步试验验证。
5.试验验证：在实验室及现场进行燃料电池控制系统的试验验证，确保系统的性能和稳定性达到预期要求。
6.优化改进：根据试验验证结果，对燃料电池控制系统进行优化改进，提高性能、降低成本。
7.推广应用：将优化改进后的燃料电池控制系统推广应用到实际场景中，进一步验证其性能和稳定性。
适用范围：本研发建设方案适用于中国各类燃料电池系统的研发与生产，包括但不限于汽车、船舶、航空器及其他能源转换装置。
创新要点：1.提出了一种全新的燃料电池控制系统架构，实现了各子系统的高效协同控制。
2.采用了先进的控制算法和传感器技术，提高了燃料电池控制系统的性能和稳定性。
3.结合了中国特色的能源结构和发展需求，实现了燃料电池控制系统的定制化开发。
预期效果：1.提高燃料电池的性能和稳定性，延长其使用寿命。
2.降低燃料电池控制系统的成本，促进其在更多领域的应用普及。
氢燃料电池汽车的热管理系统分析与设计
氢燃料电池汽车的热管理系统分析与设计第一章：引言氢燃料电池汽车作为一种新型的环保型交通工具，其零排放、高效能的特点越来越受到人们的关注。
不过，与其他类型的汽车相比，氢燃料电池汽车存在一个不容忽视的问题——热管理。
在氢燃料电池汽车运行时，需要将产生的热量及时处理，否则就会对车辆的性能、寿命和安全性造成影响。
因此，设计一个高效的热管理系统对于氢燃料电池汽车的发展至关重要。
本文将围绕氢燃料电池汽车的热管理系统展开讨论，主要包括以下几个方面：第二章：氢燃料电池汽车的热管理系统概述本章将介绍氢燃料电池汽车热管理系统的组成及其功能。
具体包括：氢燃料电池汽车热管理系统的结构、制冷循环系统、液冷循环系统、热泵系统和热管理控制系统等方面。
通过对氢燃料电池汽车热管理系统的了解，有助于更好地理解该系统在汽车中的重要作用。
第三章：氢燃料电池汽车热管理系统的问题分析本章将分析氢燃料电池汽车热管理系统存在的问题。
具体包括：热量过剩、验证不足、能量消耗过大、系统复杂度高等问题。
同时，我们将从理论和实际方面探讨这些问题的根源，并寻找相应的解决方案。
第四章：氢燃料电池汽车热管理系统的设计方案本章将根据前面对氢燃料电池汽车热管理系统的问题分析，提出对应的设计方案。
具体包括：热量分散、增加冷却面积、采用新型材料、简化系统结构和优化系统控制等方面。
通过对这些方面的设计，将使氢燃料电池汽车热管理系统的性能得到提升。
第五章：热管理系统的实验结果分析本章将介绍热管理系统的实验结果，并对设计方案的有效性进行评估。
实验结果可能涵盖以下方面：热管理系统的排放性能、能效增益、温度稳定性等。
结合实验结果，我们将进一步了解设计方案的优缺点，并提出改进方案。
第六章：总结及展望本章将对全文进行总结，重点概括氢燃料电池汽车热管理系统的组成和功能、存在的问题、设计方案及实验结果，并对未来热管理系统的发展提出展望。
希望通过本文的讨论，能对氢燃料电池汽车的热管理系统进行深入理解，为该系统的发展和应用提供支持和促进。
燃料电池汽车整车热管理系统设计与仿真分析
谢谢观看
4、智能化：控制器应具备故障 诊断和预警功能，能够根据车辆 状态进行自适应调整。
1、中央处理器：负责接收和解析来自各传感器的信号，根据车辆运行状态计 算出最佳的燃料供应、冷却液流量等参数，并通过CAN总线发送给各执行器。
2、电源管理：负责监控电池组的电压和电流，确保其处于安全范围内。当电 量过低时，自动切换到备用电源。
燃料电池汽车整车热管理系统 设计与仿真分析
基本内容
引言：
随着环保意识的日益增强和新能源汽车技术的不断发展，燃料电池汽车（FCEV） 逐渐成为汽车产业的研究热点。燃料电池汽车以其零排放、高能效、快速补充 燃料等优点，成为新能源汽车的重要发展方向之一。然而，燃料电池系统的热 管理是FCEV开发中的重要环节，直接影响到整车的性能和安全性。
一、EPS系统和HILS
电动助力转向系统（EPS）是一种动力转向系统，使用电动马达而不是传统的 液压泵来提供转向助力。HILS是一种测试和验证硬件的方法，使用数学模型来 模拟被测系统的行为，并将其集成到实际的测试环境中。
二、LabVIEW和HILS
LabVIEW是一种图形化编程语言，广泛用于测试和测量应用。LabVIEW具有许 多功能强大的工具，可以简化HILS的开发和实施。
3、故障诊断：实时监测车辆各部件的工作状态，当发现异常时，立即采取相 应的应急措施并发出警报。
4、人机交互：通过液晶显示屏或手机APP，向驾驶员显示车辆的运行状态和健 康状况，以及提供操作建议。
参考内容二
基于LabVIEW的电动助力转向系 统硬件在环仿真
随着电动助力转向系统（EPS）的普及，开发人员需要在不损害实际硬件的情 况下测试和验证其性能。硬件在环仿真（HILS）是一种有效的解决方案，它使 用模型来模拟硬件行为，并对其进行测试和验证。本次演示介绍了如何使用 LabVIEW软件进行电动助力转向系统的HILS。
氢燃料电池的热管理系统设计与优化
氢燃料电池的热管理系统设计与优化氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，近年来受到了广泛关注和研究。
随着氢能源的不断发展，氢燃料电池作为其中的重要一环，其热管理系统设计与优化也显得格外重要。
氢燃料电池在工作过程中会产生大量的热量，如何有效地管理和利用这些热量，不仅可以提高氢燃料电池的工作效率，还可以延长其使用寿命。
因此，设计一个高效的热管理系统对于提升氢燃料电池整体性能至关重要。
首先，热管理系统的设计需要考虑到氢燃料电池在不同工况下的热量产生和散热需求。
在氢燃料电池正常运行时，其内部化学反应会产生大量热量，需要及时有效地散热，以保持电池温度在合适的范围内。
因此，热管理系统需要具有良好的传热性能和散热能力，以确保氢燃料电池的稳定工作。
其次，热管理系统的设计还需要考虑到氢燃料电池在不同环境下的工作条件。
氢燃料电池往往会在复杂多变的环境中工作，如高温、低温、潮湿等条件下。
因此，热管理系统需要具有一定的适应性和稳定性，以应对各种环境下的热量管理需求。
此外，热管理系统的优化还需要考虑到能源利用效率和节能环保问题。
通过设计优化热管理系统，可以有效减少能源损耗和二氧化碳排放，提高氢燃料电池的能源利用效率，降低运行成本，实现可持续发展。
在进行氢燃料电池热管理系统设计与优化时，需要综合考虑传热、流体力学、热力学等多个学科的知识，运用计算机辅助设计和仿真技术，对热管理系统进行模拟分析和实验验证，不断优化改进设计方案，最终实现热管理系统的高效运行。
梳理一下本文的重点，我们可以发现，是一个复杂而关键的问题，需要综合考虑多方面因素，结合理论分析和实际应用相结合，才能实现氢燃料电池的高效稳定运行，推动氢能源产业的发展。
希望本文的探讨和研究可以为相关领域的学者和工程师提供一定的参考和启发，共同推动氢能源技术的发展和应用。
燃料电池系统的设计及评价
燃料电池系统的设计及评价随着全球环境问题的日益严重和汽车行业的迅猛发展，燃料电池汽车逐渐成为汽车行业的热门话题和研究热点。
燃料电池作为一种新兴能源技术，其在减少环境污染和减少能源消耗方面有着广泛的应用前景。
本文对燃料电池系统的设计和评价进行探讨。
1. 燃料电池系统的设计1.1 燃料电池的种类燃料电池通常根据其电解质类型被分为4类：固体氧化物燃料电池（SOFC）、质子交换膜燃料电池（PEFC）、碱性燃料电池（AFC）和直接甲醇燃料电池（DMFC）。
选择合适的燃料电池种类是燃料电池系统设计的一个重要问题。
1.2 燃料电池系统的组成燃料电池系统通常包括燃料电池、燃料处理系统、空气处理系统、水平衡系统、电子控制系统和电动机系统等组成部分。
其中，燃料电池是燃料电池系统的核心部分。
1.3 燃料电池的参数选择燃料电池参数的选择是燃料电池系统设计的另一个重要问题。
常用的参数包括功率、电压、响应时间、能源利用率和寿命等。
在选择燃料电池参数时，需要充分考虑其应用场景和经济效益等因素。
2. 燃料电池系统的评价2.1 效率燃料电池系统的效率是评价其性能的一个重要指标。
通常，燃料电池系统的效率可以通过其能量转换效率和能量传输效率来评价。
能量转换效率反映了燃料电池直接将化学能转化为电能的能力；能量传输效率反映了燃料电池系统输送和分配能源的能力。
燃料电池系统效率的提高可以大大提高其经济效益和实用价值。
2.2 可靠性燃料电池系统的可靠性是燃料电池汽车应用推广的关键。
随着燃料电池汽车的推广和应用，对于燃料电池系统的可靠性要求也越来越高。
可靠性评价方面，需要考虑到燃料电池系统的设计可靠性、工艺制造可靠性和使用环境可靠性等多个方面的综合影响。
2.3 经济性燃料电池系统的经济性是其应用实际的重要方面。
燃料电池系统的成本、维修保养费用、能源成本和使用寿命等方面的影响都是燃料电池系统经济性的重要因素。
一般来说，燃料电池系统的经济性需要考虑其成本和效益的平衡。
燃料电池系统设计与控制策略优化研究
燃料电池系统设计与控制策略优化研究引言：燃料电池系统作为一种新型的清洁能源技术，被广泛应用于汽车、航空航天、能源储存等领域。
燃料电池系统的设计和控制策略是确保系统高效运行和优化能量转换效率的关键。
本文将对燃料电池系统设计的几个关键方面进行探讨，并提出相应的控制策略优化研究。
一、燃料电池系统设计1. 系统组成与功能燃料电池系统主要由燃料供应装置、气体处理系统、电化学反应器、冷却系统和电子控制系统等组成。
其基本功能是将燃料和氧气进行电化学反应，产生电能。
在设计燃料电池系统时，需要考虑到系统的稳定性、安全性和高效性等方面的要求。
2. 燃料选择与供应燃料电池系统的燃料选择通常有氢气燃料电池和甲醇燃料电池两种。
氢气燃料电池具有零排放、高效能转换等优点，但氢气的储存和输送技术仍然是一个挑战。
甲醇燃料电池则可以利用液态燃料储存和输送，但存在着二氧化碳排放和能量转换效率低的问题。
在设计燃料电池系统时，需要考虑到不同燃料的属性和使用环境的实际情况。
3. 系统参数选择与匹配燃料电池系统的参数选择与匹配涉及到电池类型、功率输出要求、燃料和氧气流量等方面的考虑。
不同类型的燃料电池系统具有不同的特点和适用范围，需要选择合适的电池类型以满足实际需求。
同时，需要根据实际功率输出要求和燃料、氧气流量等参数，优化系统的设计，以提高能量转换效率。
二、燃料电池系统控制策略优化研究1. 控制策略概述燃料电池系统的控制策略主要包括燃料供应控制、氧气供应控制和水管理等方面。
燃料供应控制需要根据负载需求和燃料电池的工作状态，控制燃料的流量和压力，以维持电池的正常运行。
氧气供应控制需要根据负载需求和氧气的供应能力，控制氧气的流量和压力，以保证氧气的充分供应。
水管理则需要控制和维护燃料电池系统中的水平衡，防止水分过量或不足。
2. 控制策略优化方法为了提高燃料电池系统的效率和稳定性，需要优化控制策略。
常见的优化方法包括模型预测控制、模糊控制和神经网络控制等。
新型高性能燃料电池系统热管理研究实验报告
新型高性能燃料电池系统热管理研究实验报告一、引言随着全球对清洁能源的需求不断增长，燃料电池作为一种高效、环保的能源转换装置，受到了广泛的关注。
然而，燃料电池的性能和寿命在很大程度上受到其工作温度的影响，因此，热管理成为了燃料电池系统设计和优化的关键环节。
本实验旨在研究新型高性能燃料电池系统的热管理特性，为提高燃料电池的性能和可靠性提供理论依据和实验支持。
二、实验目的本实验的主要目的是研究新型高性能燃料电池系统在不同工作条件下的热生成和热传递特性，评估热管理系统的性能，并提出优化方案。
具体包括：1、测量燃料电池系统在不同电流密度和功率输出下的温度分布。
2、分析热管理系统中冷却剂的流量、温度和压力对燃料电池温度的影响。
3、研究燃料电池系统的热失控机制，提出预防和控制措施。
4、评估不同热管理策略对燃料电池性能和寿命的影响。
三、实验设备和材料1、新型高性能燃料电池系统：包括燃料电池堆、氢气供应系统、氧气供应系统、电子负载、控制系统等。
2、温度测量设备：热电偶、红外热像仪等。
3、流量测量设备：流量计、压力传感器等。
4、冷却系统：水泵、散热器、冷却剂等。
5、数据采集系统：用于采集和记录实验过程中的温度、流量、压力等数据。
四、实验方法1、实验前准备对燃料电池系统进行检查和调试，确保各部件正常工作。
安装温度测量设备和流量测量设备，并进行校准。
准备好所需的冷却剂和实验所需的其他材料。
2、实验过程在不同的电流密度下，逐渐增加燃料电池的功率输出，记录燃料电池堆的温度分布、冷却剂的流量、温度和压力等数据。
改变冷却剂的流量和温度，观察燃料电池温度的变化情况。
进行热失控实验，通过快速增加功率输出或降低冷却剂流量，观察燃料电池系统的温度变化和失控情况。
采用不同的热管理策略，如优化冷却剂流量、改进散热器结构等，比较燃料电池的性能和寿命。
3、数据处理和分析对采集到的数据进行整理和分析，绘制温度、流量、压力等参数随时间和功率输出的变化曲线。
燃料电池汽车热管理系统及策略分析
燃料电池汽车热管理系统及策略分析作者：王国卓吴守冰吴诗雨王志军郭婷来源：《时代汽车》2023年第20期摘要：燃料电池汽车的高效、稳定运行需要合适的工作温度，因此热管理系统对于燃料电池汽车具有至关重要的作用。
本文分析了燃料电池汽车热量产生的原理、热管理系统的组成以及燃料电池电堆的降温方法，介绍了不同热管理策略的优缺点。
对于不同类型的燃料电池汽车，应该根据其常见的行驶工况来选择合适的热管理系统和策略。
关键词：燃料电池汽车热管理系统热管理策略1 引言近年来燃料电池汽车由于其绿色环保、无“续驶里程焦虑”等方面的优点得到了越来越多的关注与应用，国家部委以及地方政府出台了一系列政策来支持燃料电池汽车的示范运行。
作为燃料电池汽车的能量源，燃料电池电堆直接决定了车辆的整体性能。
由于燃料电池电堆的正常工作范围在60～80℃之间，温度过高或过低都会影响电堆的输出性能，因此开发高效、稳定的燃料电池汽车热管理系统，是燃料电池汽车开发过程中的重要一环，对于提高燃料电池汽车动力性、经济性和环境适应性有着极为重要的作用。
2 燃料电池汽车热管理系统2.1 燃料电池汽车组成燃料电池汽车是以燃料电池电堆为主要能量源的汽车，除了纯燃料电池驱动的燃料电池汽车，也有燃料电池与辅助动力电池或超级电容联合驱动的燃料电池汽车，目前应用较为广泛的是以燃料电池作为主电源，搭配辅助动力电池联合驱动的方式。
燃料电池汽车的主要组成包括燃料电池电堆、车载氢系统（包括高压氢瓶、氢气管路、氢气训话泵和相关的阀门、接头等部件）、辅助电源、DC/DC变换器、驱动电机、整车控制器等，其中燃料电池电堆是由多个单体燃料电池串联而成，每个单体燃料电池包括质子交换膜、催化层、气体扩散层、双极板等。
燃料电池电堆产生的电能通过DC/DC升压后带动驱动电机转动，同时为辅助电源（动力电池）充电；当辅助电源的SOC较高时，燃料电池电堆停止工作，由辅助电源为驱动电机供电。
2.2 燃料电池电堆热量来源作为燃料电池的核心组成部分，研究表明质子交换膜在60～80℃之间的反应活性最大，因此燃料电池电堆需要在合适的温度下工作，温度过高会使电池内部的液态水蒸发，导致质子交换膜脱水而降低活性，甚至影响电堆的寿命；温度过低可能会造成电堆内部的液态水结冰，堵塞电堆内的气体反应流道，从而使电堆不能正常工作[1]。
基于水冷燃料电池的热管理系统设计
学号：14173501215毕业设计题目：基于水冷燃料电池的热管理系统设计作者：张盛祺届别：2021届院别：机械工程学院专业：机械电子工程指导教师：张敬职称：教授完成时间：2021年04月诚信声明我声明，所呈交的毕业设计是本人在老师指导下进行的研究工作取得的研究成果。
据我查证，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，设计中不包含他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。
我承诺，设计中所有内容均真实、可信。
毕业设计作者签名年月日毕业设计指导教师签名年月日摘要本文着手于水冷燃料电池控制系统，结合实际情况，分析散热器风扇转速与散热的对应关系，并结合水泵的工作状况，对温度控制策略进行了改良。
通过探索控制响应中电流电压的变化，与温度控制系统中冷却水流量和温度的曲线变化，对传统控制策略和改进策略进行仿真实验。
改进策略根据负载变化动态调整进气量、入口压力等系统参数，使得系统的输出功率能自动适应于负载变化，保持冷却水入口的压力始终随空气入口压力的变化而变化，从而进一步提高整个系统的工作效率，使得燃料电池在电堆受力允许的情况下保证电堆温度均衡性更优。
关键词：水冷燃料电池；热管理；控制；系统设计。
AbstractThis article starts with a water-cooled fuel cell control system, combining the actual situation, analyzing the corresponding relationship between the speed of the radiator fan and the heat dissipation, and combining the working conditions of the water pump to improve the temperature control strategy. By exploring the change of current and voltage in the control response, and the curve change of the cooling water flow and temperature in the temperature control system, simulation experiments are carried out on the traditional control strategy and the improved strategy. The improvement strategy dynamically adjusts system parameters such as intake air volume and inlet pressure according to load changes, so that the output power of the system can automatically adapt to load changes, keeping the pressure of the cooling water inlet always changing with changes in air inlet pressure, thereby further improving the entire system The working efficiency of the fuel cell ensures better temperature balance of the stack under the condition that the force of the stack allows.Keywords: Water-cooled fuel cell, Thermal management, Control, system design目录诚信声明 (I)摘要............................................................................................................................................................................ I I Abstract.. (III)目录 (IV)1 绪论 (1)1.1 燃料电池当代背景 (1)1.2 燃料电池简述 (1)1.3本文主要研究内容 (2)2 PEMFC系统的应用原理 (3)2.1 PEMFC工作原理 (3)2.1.1 电池结构分析 (4)2.1.2 电池材料分析 (5)2.2燃料电池建模 (7)2.2.1 电压模型 (7)2.2.2 温度特性 (9)3 PEMFC热管理系统的建模 (10)3.1热管理系统功能和目标 (10)3.2 热管理系统结构分析 (11)3.2.1 系统热平衡分析 (11)3.2.2 系统产热分析 (12)3.2.3 系统散热分析 (13)3.3 设备的选型 (15)3.3.1 水泵 (15)3.3.2 散热器 (16)3.4系统改进结构 (18)4 水冷PEMFC系统仿真 (19)4.1 引言 (19)4.2 传统热管理系统仿真实验 (19)4.3 改进热管理系统仿真实验 (19)5 结语 (21)参考文献 (22)致谢 (23)1 绪论1.1 燃料电池当代背景随着科学技术的发展，能源的需求不断增加，我国化石能源资源的供应受到限制和更高的要求，无法满足日益增长的能源需求。
燃料电池 水热管理
燃料电池水热管理燃料电池是一种将化学能转化为电能的装置，其工作原理是通过氢气与氧气的化学反应产生电能。
然而，在燃料电池的运行过程中，会产生大量的热量，如果不能有效地进行热量的管理和控制，将会影响燃料电池的性能和寿命。
水热管理在燃料电池系统中起着重要的作用。
它主要包括两个方面：水管理和热管理。
水管理是指对燃料电池系统中产生的水分进行控制和管理，而热管理则是指对燃料电池系统中产生的热量进行控制和管理。
水管理是燃料电池系统中不可或缺的一环。
在燃料电池的反应过程中，氢气与氧气在催化剂的作用下发生氧化还原反应，产生水分。
这些水分需要被及时地排出，以免影响燃料电池的正常工作。
同时，燃料电池的工作温度通常较高，水分的排出还可以起到降温的作用，保证燃料电池的稳定运行。
为了实现水管理，燃料电池系统通常配备有水分管理模块。
该模块可以通过控制系统中的泵和阀门，调节水分的流动和排出。
同时，水分管理模块还能对水分进行收集和处理，以便进一步利用。
水分的处理方式通常是通过蒸发或者质子交换膜的渗透来实现。
热管理也是燃料电池系统中不可忽视的一环。
燃料电池在工作过程中会产生大量的热量，如果不能及时地进行热量的散发和控制，会导致燃料电池温度过高，进而影响其性能。
同时，过高的温度还会导致燃料电池材料的老化和寿命的缩短。
为了实现热管理，燃料电池系统通常配备有散热模块。
该模块可以通过风扇或者冷却液的循环，将燃料电池系统中产生的热量有效地散发出去。
同时，散热模块还可以根据燃料电池的工作状态和温度变化，自动调节散热效果，保证燃料电池的温度在合理的范围内。
除了水管理和热管理，燃料电池系统还需要考虑其他一些因素。
例如，在燃料电池系统中，水分和热量的分配也是一个重要的问题。
不同的部件和组件对水分和热量的需求是不同的，需要合理地进行分配和管理，以保证整个系统的稳定运行。
燃料电池系统还需要考虑水质和水处理的问题。
水质的好坏直接影响燃料电池的寿命和性能，因此需要对水质进行检测和处理。
燃料电池系统中热管理系统设计与优化研究
燃料电池系统中热管理系统设计与优化研究燃料电池(Liquid Fuel Cell)是一种利用燃料的化学能直接转化为电能的能量转换系统。
燃料电池的特点是高效、清洁、静音、环保等，并且燃料的输入与电能的产出是连续不断的过程，因此在珠宝、医疗、紧急通讯等领域得到广泛应用。
随着能源与环境问题的日益突出，燃料电池在汽车、船舶、太阳能发电等领域也受到越来越多重视。
然而，燃料电池系统的热管理问题是制约其授权和推广的因素之一。
燃料电池会产生大量的热，若不能及时排除将会影响燃料电池的状态，并且会对燃料电池系统的寿命造成严重的影响。
因此，一套完善的热管理系统是燃料电池系统的非常关键的组成部分，如何设计和优化热管理系统是燃料电池技术发展的重点之一。
在热管理系统的设计和优化中，需要考虑多种因素。
首先，必须对燃料电池产生的热的来源和性质进行分析和研究。
燃料电池会产生两种类型的热：一种是化学反应产生的热，另一种是硬件本身带来的热。
燃料电池系统包含多个组件，每个组件的热特性不同，因此必须对其进行调整和管控。
其次，需要研究热分布的规律，根据热分布的不同来设计合理的热传递模式。
在热传递过程中，热传导能力的不同也会影响热管理系统的正确性。
第三，根据热变化的特性，设计合理的温度控制策略。
这包括温度控制的精度、响应时间以及温度调节对燃料电池系统效率的影响等因素。
最后，为了避免因热导致组件损坏和设备故障，还需要设计有效的预防措施和应急措施。
热管理系统的优化往往需要通过模拟计算的方法进行。
以目前主流的氢燃料电池车为例，其热管理系统的研究常采用计算流体力学方法(CFD)、有限元分析(FEA)等。
在CFD模拟中，可以根据燃料电池系统的几何结构和参数设置合适的计算模型，通过数值计算热传递过程，评估热管理系统效果，优化系统的设计。
而在有限元分析中，则可通过模拟载荷和温度变化，在燃料电池的不同部分设计合适的材料和结构以达到优化热管理的目的。
此外，还可以采用传统的试验研究方法来研究热管理系统的优化问题，通过实验数据来评估研究成果的有效性，并对燃料电池系统进行更好的优化。
国外典型燃料电池汽车水、热管理系统解析
0引言燃料电池汽车是新能源汽车的一个重要技术路线，因其高效率和近零排放被普遍认为具有广阔的发展前景。
美国、欧盟、日本和韩国都投入了大量资金和人力开展燃料电池汽车的研究[1]。
丰田、本田、通用、福特、奔驰、现代等公司已开发出燃料电池车型并进行示范运行[2]。
中国对燃料电池汽车的研发也同样重视，对燃料电池汽车及其相关技术也提出了明确的发展规划[3]。
目前，燃料电池汽车正处在由技术研发向商业化推广过渡的阶段，其中一些关键技术还不够成熟，仍有部分关键问题亟待解决。
其中，水、热管理是燃料电池动力系统研究与开发的核心关键技术之一，对整车动力系统的性能、安全和寿命具有决定性影响[4]。
如果设计不合理，会造成燃料电池性能降低、缩短寿命，甚至出现安全隐患。
为了保证燃料电池汽车的正常运行和乘坐的舒适性，对整车进行有效水、热管理十分必要。
本文主要对国外几款典型的燃料电池汽车水热管理系统方案进行解析，分析其系统方案的特点，为国内整车企业水、热管理系统方案的制定提供参考。
1水、热管理系统的设计要求1.1水管理车用燃料电池中质子交换膜是一种固态电解质膜，其作用是隔离燃料与氧化剂，同时在阳极和阴极之间传递质子[5]。
质子交换膜需要有水润湿的状态下才能够传导质子，含水量过低，其电导率将会下降，导致电池的欧姆电压损失增大，膜失水后催化层界面的活性也会下降。
电池内部过多的液态水，会导致电极水淹，会阻碍氧气的传递，降低催化剂的利用率，阻碍电化学反应的正常进行，使电池性能下降，功率密度越大，这种潜在的影响也就越大；过多的气态水，会稀释反应气体的浓度，造成反应界面的反应气体不足[6，7]。
因此，为了实现高输出功率密度的设计，始终确保质子交换膜中稳定的含水量至关重要[8]。
在连续测不同成分的样品时，需要用无尘布将放置样品的装置擦拭干净，并设定参数如下：CuK的α射线源，λ= 0.15418nm，观察角度2θ，范围10~80°，步长0.05°/sec。
燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计
4.1868kJ/mol 96485 c/mol
29 g/mol
f O2 M H2 M H2O
32 g/mol N
60 kW 0.0199 MPa 0.0386 MPa
298.15K 10℃
T0 、 T1 psat (65℃) psat (25℃) Ts tack
U
0.7 V
Vequ
5 kJ/m2K γ
表 1 输入参数 Tab.1 Input parameters
符号
意义
数值 符号
意义
数值
c
F
M air M O2 P psat (60℃) psat (75℃) Tats ∆Tcool
Vc
α λ λ H2 、 O2 ϕ0 、ϕ1
水的比热 法拉第常数 空气的摩尔质量 氧气的摩尔质量 电堆额定输出功率 60℃水蒸气的饱和压力 75℃水蒸气的饱和压力 电堆的工作环境温度 冷却水进出电堆温差 单电池实际输出电压 对流换热系数 氢气、氧气的过量系数 加湿前后氢气相对湿度
Qm,O2 Qm,air ,in Qrec , H 2 Qm, H 2o Qsurf
氧气的消耗速率
7.160g/s
空气的实际进气速率
122.612g/s
氢气的回收速率
0.895g/s
电化学反应生成水的速率 8.055g/s
电堆热辐射及对流散热功率 0.808 kW
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Fig1 Integrated Management System of PEM Fuel Cell Stack
-4-
4．结论
通过对输出功率为 60kW，氢气、空气过量系数分别为 2 和 4 的 PEM 燃料电池堆气、 水、热平衡计算可得如下结论：
2．气、水、热平衡模型
2.1 气平衡计算模型
PEM 燃料电池以氢和氧为燃料，为满足实际使用中对功率的要求，须有一定速率的燃 料进入电堆参与电化学反应，由于气体在进入电堆过程中会有损失，因此每种气体需设定相 应的过量系数，一般情况过量的氢气进行回收，空气随尾气排出电堆。气平衡计算模型为：
Q + Q = Q + Q + Q + Q m,air,in
)Байду номын сангаас
⎤ ⎥Qm, ⎦
gas
,in
（9）
式（1）~（9）中 Qm,air,in
Q 、 m,H 2 ,in
分别为空气、氢气的实际进气速率， Qm,O2
、
Qm,H2 电
化学反应中氧气、氢气的消耗速率， Qexh,air
Q 、 rec,H 2
分别为尾气中空气排放速率和氢气回
收速率，Qm,H2O,gas 为加湿空气或氢气的水的质量流量，Qm,H2O,liq Q 、 m,H2O,exh 为以液态、气
热管理中，冷却水的散热功率为 55.101 kW，目前一般将从电堆出来的温度较高的冷却 水经冷凝器冷凝再参与下一轮循环，另外为了更好的参与电化学反应，燃料气体进入电堆前 需加温以减小其与电堆的温差，因此可以将电堆出来的冷却水与气体进行热交换，将冷却水 的冷凝和气体的加热合二为一，充分利用能量，减少系统附属设备。
Qm,O2 Qm,air ,in Qrec , H 2 Qm, H 2o Qsurf
氧气的消耗速率
7.160g/s
空气的实际进气速率
122.612g/s
氢气的回收速率
0.895g/s
电化学反应生成水的速率 8.055g/s
电堆热辐射及对流散热功率 0.808 kW
Qvapor
水汽化散热功率
11.034 kW Qcool
参数
意义
数值 参数
意义
数值
Qm, H 2 Qm,H 2 ,in Qm, H 2O, H 2 Qm,H 2O,air Q gen
氢气的消耗速率
0.895g/s
氢气的实际进气速率 1.790g/s
加湿氢气所需水的速率 1.407 g/s
加湿空气所需水的速率 33.074 g/s
电堆的发热功率
66.943 kW
[4] Ahmed S, Kopasz J, Kumar R, Kurmpelt M. Water balance in a polymer electrolyte fuel cell system[J]. J Power Sources 2002;112:519–30.
2、4
ρ
0、100%
ϕ' 、ϕ'
0
1
空气中氧气的体积分数 氢气的摩尔质量 水的摩尔质量 电堆单电池片数
加湿前、后氢气的温度 65℃水蒸气的饱和压力 25℃水蒸气的饱和压力
电堆工作时表面温度 电堆额定电压
单电池理想输出电压 水的汽化潜热 水的密度
加湿前、后空气相对湿度
0.21 2.016g/mol
18 g/mol 500
Q + Q = Q + Q m,H2O,gas
m, H 2O
m,H 2O,liq
m,H 2O,exh
由热力学知识可知气体所需加湿水的质量流量为：
（8）
Qm , H 2O , gas
=
M H2O M gas
⎡ ⎢ ⎣
ϕ1 psat (T1) p1 − ϕ1 psat (T1)
−
ϕ0 psat (T0 ) p0 − ϕ0 psat (T0
m, H 2 ,in
m,O2
m, H 2
exh , air
rec, H 2
由燃料电池工作原理及法拉第第一定律可推得：
（1）
Qm,H2
=
M H2 2F
P Vc
Qm,O2
=
M O2 4F
P Vc
实际进气速率为理论消耗速率乘以对应的过量系数，即：
（2） （3）
Qm,H2 ,in
=
M H2 2F
P Vc
λH2
态形式排出电堆的水的质量流量，单位均为 g/s。
2.3 热平衡计算模型
由于热力学效率和电化学效率的存在，燃料气体的化学能在向实际电能转化过程中会产 生反应热和极化热。电堆产生热量为反应的化学能减去实际输出的电能，以功率形式表示为：
Qgen
=
p(Vequ Vc
− 1)
（10）
PEMFC 电堆主要通过四种途径排出废热：电池自身热辐射和与周围空气对流换热、电池内 部水汽化散热、尾气带走热量和冷却水带走热量，热平衡模型为：
（3）冷却水散热功率为 55.101kW，将冷却水与进气进行热交换可降低燃料气体与电堆 内部的温差，使其更好的参与电化学反应，同时回收利用了废热。
参考文献
[1] Picot D, Metkemeijer R, Bezian JJ, Rouveyre L. Impact of the water symmetry factor on humidification and cooling strategies for PEM fuel cell stacks. J Power Sources 1998;75:251–60.
4.1868kJ/mol 96485 c/mol
29 g/mol
f O2 M H2 M H2O
32 g/mol N
60 kW 0.0199 MPa 0.0386 MPa
298.15K 10℃
T0 、 T1 psat (65℃) psat (25℃) Ts tack
U
0.7 V
Vequ
5 kJ/m2K γ
由此可见，PEM 燃料电堆的气、水、热管理之间有密切的联系，应建立气、水、热综 合管理的概念将三者结合起来进行研究。
3.3 气、水、热综合管理系统的方案设计
以上分析可看出气、水、热可进行综合管理，由上述分析设计的综合管理系统如图 1 所示。氢气和空气循环路线分别为（1）→（2）→（3）→（4）→（5）和①→②→③→④→⑤→⑥。 两者都是先与电堆生成水进行热交换，达到升温的目的，再通过加湿器加湿，最后进入电堆 参与电化学反应。过量氢气直接循环回收利用，过量空气经过焓轮加湿器回收其中的热量和 水，多余空气排入大气。
[2] Fronk MH, Wetter DL, Masten DA, Bosco A. PEM fuel cell system solutions for transportation. SAE paper 2000-01-0373 in SP-1505; 2000. p. 101–8.
[3] 秦 敬 玉 , 徐 鹏 , 王 利 生 , 谢 晓 峰 , 毛 宗 强 . 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 发 动 机 循 环 水 管 理 模 型 . 太 阳 能 学 报 2001;22-4;385-389.
电化学反应生成水路线为 1→2 最后进入冷却水箱。具有一定温度的生成水适合用于膜 加湿器中加湿氢气，多余的水进入冷却水箱参与冷却水循环。冷却水循环路线为Ⅰ→Ⅱ→Ⅲ 和Ⅰ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅴ。冷却水进入电堆前温度较低，经过电堆后带走电堆产生的大部分热量， 为将热量回收，冷却水出电堆后先经换热器对空气和氢气分别加温，再回冷却水箱参与下一 轮循环。在该系统中，尾气、冷却水以及生成水带出的热量都用于加热气体，回收利用了系 统的废热。
表 1 输入参数 Tab.1 Input parameters
符号
意义
数值 符号
意义
数值
c
F
M air M O2 P psat (60℃) psat (75℃) Tats ∆Tcool
Vc
α λ λ H2 、 O2 ϕ0 、ϕ1
水的比热 法拉第常数 空气的摩尔质量 氧气的摩尔质量 电堆额定输出功率 60℃水蒸气的饱和压力 75℃水蒸气的饱和压力 电堆的工作环境温度 冷却水进出电堆温差 单电池实际输出电压 对流换热系数 氢气、氧气的过量系数 加湿前后氢气相对湿度
燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计1
陈壁峰 1，钱彩霞 1,2，詹志刚 2，肖金生 1,2
1．武汉理工大学汽车工程学院，武汉（430070） 2．武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉（430070）
E-mail：qiancaixia0301@
冷却水散热功率
55.101 kW
-3-
3.2 计算结果分析
气管理中，氢气过量系数为 2，即 0.895g/s 的氢气参与电化学反应会有等量的气体以尾 气形式排出，氢气进行回收，空气较廉价不予考虑。
水管理中，目前一般做法是从电堆外部提供水给气体加湿。计算可知，电化学反应生成 水的速率是 8.055g/s，加湿氢气所需加湿水速率为 1.407 g/s，可见电堆生成水足以满足氢气 的加湿；加湿空气所需加湿水的速率为 33.074g/s，可利用电堆尾气中的水在焓轮加湿器中 对空气加湿[8]。
25℃、65℃ 0.02504MPa 0.00317MPa
353.15K 350 V 1.481 V 2256 kJ/kg 1000kg/m3 20%、100%
将上述参数代入式（2）~（7）及式（9）~（14）各计算模型，计算结果如表２所示。
表 2 计算结果
Tab.2 Calculation results