随着世界环境污染日益严重，节能减排已经成为经济社会发展的必然趋势。其中燃料电池汽车尤为突出，其排放产物只有水，完全无污染。因此需要大力发展该行业，而目前发展燃料电池汽车的痛点问题之一就是能源利用率低，迫切需要优化热管理系统设计，提高能源利用率。

目前燃料电池重卡在正常运行过程中，燃料电池系统电堆会产生大量的热。通常情况下，燃料电池系统在额定输出功率过程中，电堆效率在50%左右，接近一半的氢气化学能以热量的形式散失到环境中，造成大量的能量浪费。以市面上目前正在开发的200 kW大功率燃料电池发动机系统为例，在BOL工况下，燃料电池电堆峰值功率达到260 kW，此时的电堆效率为53%，系统的散热量高达252 kW；如果考虑电堆寿命衰减，EOL工况散热量至少会增大20%。因此针对如此大的系统余热能量，为满足燃料电池重卡散热需求，需要从燃料电池系统整体出发，设计优化一套综合热管理系统来将余热利用起来，既能提高系统的效率，又可以避免能源浪费。

图1为典型的燃料电池系统架构图，系统主要由燃料电池电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、热管理子系统及电控中心组成。

图1 燃料电池系统架构图

未势能源目前正在进行200 kW大功率燃料电池发动机系统研发，在系统研发过程中，遇到了痛点问题：

(1) 系统低温冷启动困难，需要辅助热源加热系统冷却液进而提高电堆温度，促进系统快速启动。

(2) 系统正常运行时，散热量较大，超出主散热器的最大散热能力；当前预研的系统散热量在200 kW以上，传统的散热器风扇难以满足如此巨大的散热需求，导致散热系统设计困难，大量的热量无法有效排出系统，尤其是夏季，散热工况更为恶劣，因此亟需解决综合热管理散热的问题。

(3) 在燃料电池系统正常运行过程中，大量热量未被有效利用，导致系统能量综合利用效率低。

(4) 由于空压机存在较大寄生功耗的问题，在大功率燃料电池系统中采用膨胀机回收利用尾排空气的压力能，缓解空压机高功耗问题。然而空气路汽水分离器出口可能存在液滴，影响膨胀机的正常工作。如，在燃料电池系统拉载过程中，电堆内电化学反应速率大于冷却液的升温速率，阴极侧出口的液态水析出增多，增加液态水进入膨胀机的概率；在系统冷启动阶段，空气路中存在液态水或小冰渣，若进入膨胀机会损害膨胀机，降低其使用寿命。

针对上述关于燃料电池系统中热管理综合利用面临的痛点问题，未势能源（甲方）提出如下开发需求：

(1) 需重新设计散热系统，通过优化散热系统设计满足系统散热量需求。

(2) 通过系统热量回收升高尾排空气温度，尾排空气温度升高有利于膨胀机进行能量回收，从而提高系统效率；同时尾排空气温度升高有利于促进液滴的蒸发，减少进入膨胀机内液滴的数量。解决在拉载和冷启动典型工况下液滴进入膨胀机的风险。

燃料电池综合热管理系统开发考虑方案实际应用可行性，确定以下技术参数：

(1) 优化设计主散热器：为保证系统散热需开发高性能散热器，在保证边界条件不变的前提下通过优化主散热器的片型、翅片参数、流路布置等提高主散热器的散热能力，优化目标提高10%。

具体要求如下：

Ø 环境温度40℃；

Ø 散热器进风平均温度48℃；

Ø 散热器进水温度85℃；

Ø 散热器风量：7.9 m3/s；

Ø 散热器风阻550 Pa；

Ø 散热器的散热量优化目标值255 kW。

(2) 开发新型的两级中冷器：开发两级中冷器代替现有中冷器，利用空压机出口的高温空气加热废气，增强膨胀机做功能力，有效提高其能量回收效率，本项目目标膨胀机能量回收提升10%。此外，废气温度的提高促进废气中液滴的蒸发，解决液滴对膨胀机使用寿命的影响。

两级中冷器要求如下：

Ø 边界描述

(1) 空压机出口到中冷器入口，高温气体入口

(2) 空冷段湿空气入口，接增湿器湿测出口

(3) 水冷段液体入口

Ø ① 空空段边界(1)：

Ø 进气流量：259g/s；

Ø 进气温度：204.2℃；

Ø 进气压力：272kPa；

Ø 进气湿度：0%；

Ø ①②空空段边界(2)：

Ø 进气干空气量：9602 SLPM；

Ø 进气温度：85℃；

Ø 进气压力：202kPa；

Ø 进气湿度：100%；

Ø ③液空段边界(3)：

Ø 冷却液入口温度：70℃；

Ø 冷却液流量：32LPM；

Ø 冷却液入口压力：130kPa；

Ø 输出指标要求：

Ø 目标温度：＜80℃；

Ø 最大压降：5.9kPa；

Ø 出气状态：出气空气湿度≤90%；

Ø 出气温度：＞165.5℃；

Ø 空侧流阻：＜19kPa；

Ø 最大流阻：6.5kPa。