[发明专利]质子交换膜燃料电池冷却系统的建模方法

摘要

本发明公开了一种质子交换膜燃料电池冷却系统的建模方法，利用管带状带翅片式换热器对燃料电池进行冷却，其中换热器模型的建立基于气‑液式换热，冷却系统具体模型的建立包括7个步骤：能量守恒方程的建立、散热器的效率、冷却液与扁管之间的对流换热计算、管壁内部的热传导计算、扁管外与空气之间的对流换热计算、翅片效率计算、以及冷却液与电堆之间的传热计算，由此构建出质子交换膜燃料电池完整的冷却系统。弥补了已有三维散热器模型计算效率低且无法直接用于系统模型中的弊端。散热器模型基于效能‑传热单元数法，无需像对数平均温差法进行迭代计算，模型的计算效率高且能够保证足够的模型精度。

主权项

1.质子交换膜燃料电池冷却系统的建模方法，利用管带状带翅片式换热器对燃料电池进行冷却，其中换热器模型的建立基于气‑液式换热，其特征在于：冷却系统具体模型的建立包括如下步骤：(1)能量守恒方程的建立散热器处于稳态运行状态时，冷却液释放的热量等于空气吸收的热量：Q＝m_lq(c_p)_lq(T_lq,in‑T_lq,out)＝m_air(c_p)_air(T_air,out‑T_air,in)＝AKΔt_m       (1‑1)其中m_lq表示冷却液流量，(c_p)_lq表示冷却液比热容，m_air表示空气流量，(c_p)_air表示空气比热容，T_lq,in、T_lq,out表示冷却液的入口和出口温度，T_air,in、T_air,out表示空气的入口和出口温度，A表示散热器总传热面积，K是总传热系数，该系数与散热器结构有关，Q表示总热量，Δt_m表示平均温差，该温差由散热器的效率和冷却液与空气之间的最大温差决定，(2)散热器的效率η定义η为换热器的实际传热热量与理论上最大可能的传热热流量之比：定义在散热器内两种流体交叉流动，不存在混合过程，其效率用由德雷克(Drake)工程关系式计算：式中C*表示热容比，NTU表示传热单元数，总传热系数由三部分组成，包括冷却液与扁管之间的对流换热，管壁内部的热传导以及扁管外与空气之间的对流过程：其中h_l表示冷却液与扁管之间的传热系数，A_l表示有效面积，δ表示扁管厚度，λ_t表示管壁的导热系数，h_a表示扁管外与空气之间的传热系数，A_a表示管外空气侧有效传热面积，η₀表示考虑翅片在内的总效率；(3)计算冷却液与扁管之间的对流换热冷却液与扁管之间的传热系数计算如下式：其中Nu表示努塞尔数，λ_l表示冷却液的导热系数，l_l表示特征长度，扁管的截面积和周长计算如下：P_t＝2[(T_d‑D_m)‑π(D_m‑2δ)/2]        (1‑10)A_l＝n_tLP_t         (1‑11)f_l＝(1.58lnRe_l‑3.28)^‑2       (1‑13)其中A_t表示扁管的截面积，P_t表示截面周长，D_m表示扁管宽度，T_d表示扁管长度，n_t表示扁管数目，L表示散热器长度，Re_l表示雷诺数，Pr_l表示普朗克数，f_l表示摩擦系数；(4)计算管壁内部的热传导管壁内部的热传导热阻计算表达式如下：(5)计算扁管外与空气之间的对流换热冷却液从高温电堆中吸收散发到空气中，扁管外与空气之间的传热系数计算如下：A_a,min＝F_pT_p      (1‑18)其中j表示传热因子，与百叶窗结构有关，G_air表示每个气体流动截面单元的空气质量流量，θ为百叶窗角度，F_p为翅片间距，L_p为百叶窗间距，F_l为翅片长度，L_l为百叶窗长度，T_p为扁管间距，δ_f为翅片厚度，n_t为扁管数目，n_f为翅片数目，A_a,min表示由相邻的管和翅片覆盖的截面积，(6)翅片效率其中η₀表示总的传热效率，η_f表示翅片效率，A_f,1、A_f,2分别表示肋基面积和肋表面积，m、l表示与翅片效率相关的特征参数，通过上述六部分传热过程的计算，可以获得散热器的总传热系数，根据能量守恒方程(1‑1)可以分别获得冷却液和空气的出口温度；(7)冷却液与电堆之间的传热冷却液流经电堆吸收热量，该热量全部转化为其内能，根据能量守恒规律可得：其中是冷却液进入电堆前的温度，是冷却液流经电堆后的温度，是冷却液流经电堆过程中的平均温度，h_cool是冷却液与电堆间的换热系数，是冷却液与电堆间的有效换热面积，T_cell表示电堆的温度，由此构建出质子交换膜燃料电池完整的冷却系统。