质子交换膜燃料电池车辆中固体干燥剂辅助蒸发冷却系统的性能分析与优化研究

为解决燃料电池车辆空调系统能耗高、传统制冷剂环境污染等问题，Moh'd Al-Nimr团队提出利用质子交换膜燃料电池（PEMFC）废热驱动固体干燥剂辅助蒸发冷却（SDEC）系统。研究通过建立数学模型，验证了SDEC在降低空调功耗（较传统系统节能21%）、提升冷却性能（最优转速0.875时效率最佳）及适应不同环境条件（高温低湿下性能增强）的潜力，为绿色交通能源利用提供了新方案。

　　

在全球碳中和目标推动下，交通运输领域的能源转型成为关键战场。传统燃油车空调系统依赖高能耗的压缩机制冷，而电动汽车（EV）的普及虽减少了尾气排放，但其锂离子电池（LIBs）驱动的空调仍消耗高达19%的电池能量。更棘手的是，常用制冷剂如R134a和R32虽性能稳定，却存在温室效应和毒性隐患。与此同时，质子交换膜燃料电池（PEMFC）车辆在运行中产生大量废热，若能将这部分能量回收利用，不仅能提升系统整体效率，还能为空调系统提供可持续动力。

针对这一挑战，研究人员创新性地将固体干燥剂辅助蒸发冷却（SDEC）技术与PEMFC结合，开发了一套基于废热驱动的车辆空调系统。该系统通过数学建模与工程方程求解器（EES）仿真，揭示了多参数耦合作用规律：当PEMFC电流密度从0.5 A/cm²提升至1.5 A/cm²时，冷却容量显著增加；而干燥剂轮转速在0.875相对速度时达到最佳除湿效果，此时系统能耗降低21%。值得注意的是，在40°C高温环境下，虽然出风温度随环境温度上升，但系统冷却能力反而增强，这得益于蒸发冷却在低湿度条件下的高效换热特性。

研究采用的关键技术包括：1）建立PEMFC-SDEC耦合系统的热力学模型；2）基于牛顿-拉夫森法的数值求解；3）多参数敏感性分析（涵盖电流密度、干燥剂轮转速、环境温湿度等）。结果部分显示，干燥剂轮空气流速与系统性能呈负相关，而PEMFC工作温度升高可同步提升发电效率和冷却能力。在35°C/60%RH的典型工况下，系统能提供18°C的送风温度，满足车舱舒适性需求。

结论指出，该集成方案兼具能效优势（较传统系统节能21%）与环境友好性（零制冷剂使用），尤其适合中东等高温干旱地区。未来研究可拓展至重型车辆应用或结合两级蒸发冷却进一步提升性能。这项发表于《Renewable Energy》的成果，为燃料电池车辆的热管理提供了全新思路，其"废热驱动+空气制冷"的技术路线，对实现交通领域碳中和具有重要实践意义。