［摘要］热管理是影响燃料电池性能与寿命的重要因素之一，其中燃料电池热管理系统设计与建模是研究的难点。首先用理论推导方法建立燃料电池的热模型，并通过台架试验验证该模型的准确性。其次建立整车燃料电池热管理系统一维仿真模型，对影响电堆出水温度的风速和风温两个因素进行灵敏度分析。最后通过仿真计算，分析3种典型工况下电堆的出水温度，并开展整车环模试验进行验证。结果表明，所建立的燃料电池热管理系统模型可以准确分析电堆在不同工况下的出水温度，为整车开发过程中燃料电池热管理性能的分析与优化提供参考，对提高燃料电池汽车热管理水平具有实际的工程意义。

燃料电池汽车作为一种清洁能源交通工具，具有高效节能、排放无污染等优势，已经成为未来新能源汽车行业发展的一个重要技术方向。与传统的燃油发动机相比，燃料电池的效率要高10%～20%，但是燃料电池对于工作环境温度的要求比较严苛。例如质子交换膜氢燃料电池（protonexchangemembranefuelcell，PEMFC）的适宜工作温度一般在60～80℃，少数可达到90℃。温度过低，会导致燃料电池内部催化剂活性降低、欧姆极化严重并使电池阻抗增加，从而降低电池性能。温度过高，会加剧电池内部液态水的蒸发而引发质子交换膜脱水干涸，阻碍氢离子的传导并降低电池的效率，长期高温还会损害电池寿命。热管理性能作为影响燃料电池工作效率、寿命和安全的重要因素，是目前燃料电池汽车研究的技术热点。

Adzakpa、Amphlet和Pukrushpan等建立了电堆的动态仿真模型，分析电堆启动、负载阶跃变化和电堆停止时电堆电压及温度的动态变化。上述文献只对电堆本体的特性进行研究，并未考虑电堆外部的热管理部件，并且所建立的模型复杂度较高、计算效率相对较低，用于整车系统级的分析难度较大。对此，郭爱建立了车用燃料电池热管理系统模型，研究了电堆电流、冷却液流速、旁路阀开度等因素对电堆及散热器入口与出口温度差的影响。常国峰等建立燃料电池汽车热管理系统散热器模型，使仿真误差控制在10%以内。丁琰基于AMESim软件建立整车热管理系统一维仿真模型，并对极端工况下的热管理性能进行评估。

本文中采用理论与试验相结合的方法，根据电堆工作时的功率电压之间的关系，基于AMESim软件平台建立电堆的稳态热模型，并以此为基础建立燃料电池热管理系统模型。经验证，该模型可较准确地评估电堆在不同工况下的出水温度，为燃料电池热管理性能分析和优化提供了参考，具有实际工程意义。

燃料电池工作时，氢燃料和氧气发生化学反应，一部分能量转换成电能对外输出，一部分能量以热的形式耗散掉。氢燃料电池发生如下的化学反应：

式（1）表示化学反应全部生成液态水，对应的焓差为-.8kJ·mol-1，称为高热值，负号代表放出热量；式（2）表示化学反应全部生成水蒸气，对应的焓差为-.8kJ·mol-1，称为低热值。根据上述热反应方程式，可以计算出室温和标准大气压力下燃料电池单体的理论电压值。

式中：k为反应过程中消耗1mol反应物所转移的电子数，对于氢燃料电池，k=2；e为元电荷数，e=1.60×10-19C；NA为阿伏加德罗常数，NA=6.02×mol-1。假设燃料电池反应的生成物全部都是液态水，则通过高热值△H=-.8kJ·mol-1计算得到燃料电池单体的理论电压值为U0=1.48V，低热值计算理论电压值为U0=1.26V。某款氢燃料电池汽车电堆的正常工作区间内，单体电压值U处于0.59～0.81V之间。根据式（4）可计算得到该电堆的效率范围处于46.8%～64.3%之间。

其中：c为冷却液的比热容；m为冷却液的质量流量；T1为电堆进口水温；T2为电堆出口水温。忽略辐射散热和排气系统带走热量的条件下，当燃料电池系统处于热平衡状态时，电堆产生的热量与冷却系统带走的热量是相等的。可建立电堆发热与散热之间的热平衡方程式，如式（7）所示。

根据上述电堆热平衡方程式可知，当电堆功率与效率一定时，决定系统散热能力主要参数是冷却液流量m和冷却液水温T1和T2。T2由电堆内部流道结构、电堆本体的材料热属性和电堆的功率状态决定。T1则与前端散热器的性能和进风温度相关，是热管理系统设计要重点

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