燃料电池发动机系统-热管理系统匹配篇
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冷却液流量，根据经验或者计算系统阻力，匹配至水泵扬程曲线， 即可判断水泵是否满足需求。
2020/10/21
谢 谢！
2020/10/21
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四、热管理零部件选型计算
4.3 电子风扇
根据上述计算所得风量和散热器规格，结合风扇P-Q曲线及产品经验风阻，即可确定风扇 是否满足要求；
4.4 电子水泵 1）基本参数的选择 额定电压/电流、额定功率、最大流量、最大扬程等 2）流量——扬程/效率/功率曲线 整个循环系统需求最大流量和流阻 同样根据散热需求及冷却液进出温差，Q=CMΔT可计算
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四、热管理零部件选型计算
4.1 W-CAC
水冷中冷器，由上篇内容可知，主要是为压缩空气侧进行冷却，由经验可知，燃料电池 的允许工作范围为70~80℃，而空气经压缩后的温度一般为180℃，最高可达220℃，结合燃 料电池工作温度和空气需求量，计算可得水冷中冷器需求散热能力。
例：进气温度180℃，出气温度≤80℃，空气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量100g/s，根据Q=CMΔT，可得散热量约 为10KW，当然，实际计算时，进气压力，液侧工况也需要考虑；
Qq=m·γ·K/3600 式中γ为水的气化潜热，计算可得电堆尾气带出热量 3. 电堆内部循环水带出热量
QW=CW*m*ΔT 式中CW为水的比热容，m为循环水的质量流量，ΔT为进出水的温差 根据经验数据，循环水带出的热量约为产热量的95%，考虑到散热系统安全系数的问题， 一般忽略热辐射和尾气散热，即电堆生热量全由循环水带出。
但由于膜的水含量对导电性能的影响非常显著，较高的温度会导致膜脱水，电导率下降， 电池性能恶化。因此，需要保持电池内部的热平衡。 要求：
1）燃料电池最佳工作温度范围为70~80℃； 2）为保持电池均温性，冷却循环水进出温差应小于10℃； 3）局部温度极限应小于100℃
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二、电堆生热量计算
氢氧燃料电池阳极反应式为：
Anode： H2→2H+ + 2e放出两个电子可变成电能，而放出电子所带电量为：
-2 N e= -2 F
注：负值表示放出能量
式中 N：阿伏伽德罗常数；e：一个电子所带电量；F：法拉第常数
由上式知道转换得到的电功为：△gf = -2 F * E → E=△gf /（-2 F） 式中△gf：吉布斯自由能
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氢燃料电池发动机系统
热管理系统匹配篇
一、热管理的必要性 二、电堆生热量计算 三、 电堆散热计算 四、 热管理零部件选型计算
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一、热管理的必要性
温度的高低对燃料电池的性能影响很大，低温时，电池内部各种极化增强，欧姆阻抗也会 增大，使电池性能恶化；温度升高时，欧姆阻抗降低的同时极化较少，有利于提高电化学反应 速度和质子在膜内的传递速度，电池性能变好；
若氢燃料所有的能量，都转变为电能，则电动势为： E=△gf /（-2 F） 查询相关资料，计算得E=1.48V（单位摩尔，高热值）
从上可得：燃料电池的生热量为：△Q=Itotal（1.48-Voutput） 式中△Q为废热、Itotal为电池的瞬态输出电流、Voutput为电池的瞬态输出电压
根据实测数据，Voutput约为0.65V，即燃料电池电堆效率约为44%，随着电池技术的不断发展，效率 不断提升，目前一般按照50%计算，即电池的产热量△Q=电池输出的功率
4.2 散热器
根据电堆效率及上述经验分析，比如80KW的电堆，其散热需求约为80KW（不考虑安全 系数），结合环境温度和进出空气的温差，可以计算出风量需求值Va= Q/γa*Cp*△ta (㎥/s)， 根据Q=h*s*ΔT（h为对流换热系数，S为热交换面积，ΔT为气液温差）可以计算散热面积， 再结合允许空间尺寸及产品常用规格，即可初步得到散热器方案。
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三、电堆散热计算
1. 电堆自身热辐射 △QR=δ·σb·A·（Tout4-T04）
式中，δ为电堆黑度；σb为斯蒂芬-波尔兹曼常数；A为电堆辐射面积；Tout为电堆出水温度； T0为环境温度。代入具体数值（A根据实际选取），可得辐射热。 2. 电堆尾气带出热
电堆的尾气包括未反应的氧气、氢气和产生的水，气体比热容较小，其带走的热量忽略 不计，产生的水带走的热量包括水气化吸收的热量和液态水吸收的热量，由
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四、热管理零部件选型计算
4.3 电子风扇
根据上述计算所得风量和散热器规格，结合风扇P-Q曲线及产品经验风阻，即可确定风扇 是否满足要求；
4.4 电子水泵 1）基本参数的选择 额定电压/电流、额定功率、最大流量、最大扬程等 2）流量——扬程/效率/功率曲线 整个循环系统需求最大流量和流阻 同样根据散热需求及冷却液进出温差，Q=CMΔT可计算
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四、热管理零部件选型计算
4.1 W-CAC
水冷中冷器，由上篇内容可知，主要是为压缩空气侧进行冷却，由经验可知，燃料电池 的允许工作范围为70~80℃，而空气经压缩后的温度一般为180℃，最高可达220℃，结合燃 料电池工作温度和空气需求量，计算可得水冷中冷器需求散热能力。
例：进气温度180℃，出气温度≤80℃，空气ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量100g/s，根据Q=CMΔT，可得散热量约 为10KW，当然，实际计算时，进气压力，液侧工况也需要考虑；
Qq=m·γ·K/3600 式中γ为水的气化潜热，计算可得电堆尾气带出热量 3. 电堆内部循环水带出热量
QW=CW*m*ΔT 式中CW为水的比热容，m为循环水的质量流量，ΔT为进出水的温差 根据经验数据，循环水带出的热量约为产热量的95%，考虑到散热系统安全系数的问题， 一般忽略热辐射和尾气散热，即电堆生热量全由循环水带出。
但由于膜的水含量对导电性能的影响非常显著，较高的温度会导致膜脱水，电导率下降， 电池性能恶化。因此，需要保持电池内部的热平衡。 要求：
1）燃料电池最佳工作温度范围为70~80℃； 2）为保持电池均温性，冷却循环水进出温差应小于10℃； 3）局部温度极限应小于100℃
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二、电堆生热量计算
氢氧燃料电池阳极反应式为：
Anode： H2→2H+ + 2e放出两个电子可变成电能，而放出电子所带电量为：
-2 N e= -2 F
注：负值表示放出能量
式中 N：阿伏伽德罗常数；e：一个电子所带电量；F：法拉第常数
由上式知道转换得到的电功为：△gf = -2 F * E → E=△gf /（-2 F） 式中△gf：吉布斯自由能
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氢燃料电池发动机系统
热管理系统匹配篇
一、热管理的必要性 二、电堆生热量计算 三、 电堆散热计算 四、 热管理零部件选型计算
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一、热管理的必要性
温度的高低对燃料电池的性能影响很大，低温时，电池内部各种极化增强，欧姆阻抗也会 增大，使电池性能恶化；温度升高时，欧姆阻抗降低的同时极化较少，有利于提高电化学反应 速度和质子在膜内的传递速度，电池性能变好；
若氢燃料所有的能量，都转变为电能，则电动势为： E=△gf /（-2 F） 查询相关资料，计算得E=1.48V（单位摩尔，高热值）
从上可得：燃料电池的生热量为：△Q=Itotal（1.48-Voutput） 式中△Q为废热、Itotal为电池的瞬态输出电流、Voutput为电池的瞬态输出电压
根据实测数据，Voutput约为0.65V，即燃料电池电堆效率约为44%，随着电池技术的不断发展，效率 不断提升，目前一般按照50%计算，即电池的产热量△Q=电池输出的功率
4.2 散热器
根据电堆效率及上述经验分析，比如80KW的电堆，其散热需求约为80KW（不考虑安全 系数），结合环境温度和进出空气的温差，可以计算出风量需求值Va= Q/γa*Cp*△ta (㎥/s)， 根据Q=h*s*ΔT（h为对流换热系数，S为热交换面积，ΔT为气液温差）可以计算散热面积， 再结合允许空间尺寸及产品常用规格，即可初步得到散热器方案。
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三、电堆散热计算
1. 电堆自身热辐射 △QR=δ·σb·A·（Tout4-T04）
式中，δ为电堆黑度；σb为斯蒂芬-波尔兹曼常数；A为电堆辐射面积；Tout为电堆出水温度； T0为环境温度。代入具体数值（A根据实际选取），可得辐射热。 2. 电堆尾气带出热
电堆的尾气包括未反应的氧气、氢气和产生的水，气体比热容较小，其带走的热量忽略 不计，产生的水带走的热量包括水气化吸收的热量和液态水吸收的热量，由