燃料電池高效冷卻系統(tǒng)設(shè)計與測試*

付穩(wěn)超

燃料電池高效冷卻系統(tǒng)設(shè)計與測試*

付穩(wěn)超

（中車唐山機(jī)車車輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，063035，唐山//高級工程師）

針對有軌電車用燃料電池冷卻系統(tǒng)散熱量大及車頂空間緊湊、噪聲低、拆裝方便、安全性高等設(shè)計要求，通過多方案比選、集成設(shè)計、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、新結(jié)構(gòu)和新材料的對比分析、樣機(jī)試制及試驗驗證工作，完成了燃料電池高效冷卻系統(tǒng)研制工作。測試結(jié)果表明，該型燃料電池冷卻系統(tǒng)達(dá)到了高效散熱、低噪聲和輕量化的設(shè)計要求。

有軌電車；燃料電池系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；樣機(jī)試驗

以氫為能源進(jìn)行發(fā)電的燃料電池動力系統(tǒng)具備清潔、高效、無污染等優(yōu)點(diǎn)，是符合國家未來清潔能源戰(zhàn)略的技術(shù)之一［1］。如何將氫燃料電池作為動力系統(tǒng)運(yùn)用在城市軌道交通（以下簡為“城軌”）車輛上，已日益受到國內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注［2-3］。燃料電池在工作時的理化反應(yīng)會產(chǎn)生大量的熱，而溫度對燃料電池的工作效率和使用壽命均有很大的影響，因此，冷卻系統(tǒng)是燃料電池供電技術(shù)研究的重點(diǎn)之一。其作用是確保燃料電池系統(tǒng)工作在適宜溫度范圍，以保證較高的供電效率。文獻(xiàn)［4］建立了質(zhì)子交換膜燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)模型，對燃料電池系統(tǒng)及熱管理系統(tǒng)的工作特性進(jìn)行系統(tǒng)研究。文獻(xiàn)［5］根據(jù)燃料電池的熱特性，對燃料電池汽車散熱模塊進(jìn)行仿真計算，通過試驗驗證，獲得了適應(yīng)性較好的散熱裝置效率分析方法。文獻(xiàn)［6］建立了散熱器傳熱及流阻特性的計算模型，并通過實驗驗證了該模型的精度，對不同工況下的燃料電池發(fā)動機(jī)散熱器的散熱效果進(jìn)行了比較。

本文研究的燃料電池混合動力有軌電車樣車在快速運(yùn)行時，單套燃料電池系統(tǒng)會產(chǎn)生150～170 kW的熱量。設(shè)計要求在外溫為42℃時，電池模塊進(jìn)水溫度不高于66℃，散熱量大，溫差?。?］，且同時應(yīng)具備空間緊湊、噪聲低、拆裝方便、安全性高等優(yōu)勢。因此，本文主要研究內(nèi)容如下：

（1）冷卻系統(tǒng)多方案比選：對燃料電池冷卻方式和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行綜合比選。

（2）冷卻系統(tǒng)集成設(shè)計：進(jìn)行關(guān)鍵部件間的優(yōu)化匹配設(shè)計，優(yōu)選最佳方案并確定適用的換熱元件結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)噪聲和輔助功耗。

（3）冷卻系統(tǒng)結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計：通過強(qiáng)度、模態(tài)計算，優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，減少系統(tǒng)質(zhì)量和體積。

（4）樣機(jī)研制及試驗驗證：進(jìn)行試驗樣機(jī)研制及冷卻系統(tǒng)工作特性試驗驗證，經(jīng)過進(jìn)一步優(yōu)化，最終完成裝車用樣機(jī)研制。

1 技術(shù)方案

1.1 冷卻系統(tǒng)工作原理

冷卻系統(tǒng)由2套冷卻裝置組成，分別冷卻2套燃料模塊，冗余性較好。其工作原理如圖1所示。燃料電池系統(tǒng)工作時，燃料電池出口的高溫冷卻液與通過散熱器的環(huán)境空氣進(jìn)行熱交換后，再流回燃料電池模塊。同時，冷卻風(fēng)機(jī)帶動環(huán)境空氣冷卻通過散熱器的冷卻液，然后排向車體頂部。

圖1 冷卻系統(tǒng)工作原理

1.2 技術(shù)要求

在規(guī)定的燃料電池有軌電車車頂安裝空間（長≤1.6 m，寬≤2.05 m，高≤0.63 m）內(nèi)，冷卻系統(tǒng)應(yīng)能同時冷卻2套燃料電池模塊。單套燃料電池模塊冷卻技術(shù)參數(shù)見表1。

表1 單套燃料電池冷卻系統(tǒng)技術(shù)參數(shù)

1.3 總體布置方案

根據(jù)冷卻系統(tǒng)的散熱要求、車體空間布置、散熱器與風(fēng)扇性能匹配等情況，初步確定了5種總體布置方案，如表2所示。5種布置方案均采用2臺散熱器分別冷卻2套燃料電池模塊，主要區(qū)別在于風(fēng)機(jī)數(shù)量及其布置方式不同。

經(jīng)綜合考慮，確定采用方案5。冷卻裝置詳細(xì)結(jié)構(gòu)如圖2所示。冷卻裝置主要由散熱器、風(fēng)機(jī)、膨脹水箱、箱體、電連接器和減振器等組成，通過4個安裝座加減振器后安裝在有軌電車頂部。冷卻裝置頂部布置頂防護(hù)網(wǎng)以防大顆粒異物對風(fēng)扇造成損傷，底部設(shè)置排水設(shè)施，兩端分別設(shè)置膨脹水箱和電連接器。冷卻裝置內(nèi)部分布4臺軸流風(fēng)機(jī)，每2臺風(fēng)機(jī)同時冷卻1臺散熱器，采用吸風(fēng)式冷卻。

表2 總體布置方案對比表

由于結(jié)構(gòu)過于緊湊，后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計時應(yīng)采取相關(guān)降噪措施。

圖2 冷卻裝置結(jié)構(gòu)示意圖

2 詳細(xì)設(shè)計方案

鑒于燃料電池散熱量大，而冷卻水溫度與外界空間溫差較小，不利于散熱，以及輔助功率、噪聲、質(zhì)量限制等問題，箱體采用鋁合金材料制作，并對關(guān)鍵部件進(jìn)行深入研究及優(yōu)化設(shè)計。

2.1 散熱器

2.1.1 總體結(jié)構(gòu)方案

散熱器采用鋁制板翅式結(jié)構(gòu)，以最大限度減重。本文根據(jù)最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性能、流量等因素進(jìn)行散熱器翅片優(yōu)選。在本氣-液散熱器中，熱邊介質(zhì)是乙二醇水溶液，其傳熱系數(shù)較大，可選用低而厚的鋸齒形翅片，以保證較高的翅片效率；散熱器冷邊采用空氣作為介質(zhì)，其傳熱系數(shù)較小，可選用高而薄的鋸齒形或百葉窗式翅片，以增加傳熱面積、加強(qiáng)流體擾動，進(jìn)而提高換熱效率。冷熱兩側(cè)翅片結(jié)構(gòu)如圖3所示。其中，Pf為翅片間距，δf為翅片厚度，S 為翅片高度，δp為基板厚度。散熱器芯體為叉流單流程結(jié)構(gòu)，采用熱側(cè)單流程，冷側(cè)單流程。

2.1.2 散熱器性能計算

散熱器冷卻液入口條件參數(shù)按表1考慮。根據(jù)給定的運(yùn)行條件和性能指標(biāo)，經(jīng)過迭代計算，得到散熱器芯體幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表3～6所示。

圖3 散熱器兩側(cè)翅片幾何結(jié)構(gòu)示意圖

表3 散熱器芯體結(jié)構(gòu)參數(shù)

表4 熱側(cè)傳熱表面類型結(jié)構(gòu)參數(shù)

表5 冷側(cè)傳熱表面類型結(jié)構(gòu)參數(shù)

表6 整體計算結(jié)果

2.1.3 翅片優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)化計算結(jié)果及現(xiàn)有產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)，綜合考慮傳熱、通風(fēng)、噪聲等多方面因素，初步確定了2種散熱器結(jié)構(gòu)參數(shù)，如表7和圖4所示。

表7 初步確定的散熱器翅片結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖4 初步確定的散熱器翅片結(jié)構(gòu)示意圖

在外溫為42℃，冷卻液出口溫度約63℃條件下，分別測試?yán)鋫?cè)為鋸齒形翅片和百葉窗翅片的散熱器試驗件的氣側(cè)傳熱系數(shù)、空氣壓力損失與空氣質(zhì)量流速的變化關(guān)系。測試結(jié)果如圖5、6所示。

兩種翅片在設(shè)計流量點(diǎn)的性能對比見表8?？梢?，在相同空氣流速時，鋸齒形翅片的傳熱系數(shù)略高于百葉窗翅片，空氣壓力損失遠(yuǎn)低于百葉窗翅片，更適宜作為冷側(cè)翅片。

2.1.4 納米涂料傳熱增強(qiáng)試驗

對散熱器進(jìn)行了某型納米涂料噴涂前后傳熱能力影響的對比試驗。噴涂前后散熱器氣側(cè)傳熱系數(shù)、空氣壓力損失在設(shè)計流量點(diǎn)的性能對比見表9。可見，在相同空氣流速時，噴涂納米涂料的散熱器氣側(cè)傳熱系數(shù)高于噴涂前約6%，流阻基本沒有變化，可在后續(xù)樣機(jī)研制中采用。

圖5 散熱器氣側(cè)傳熱系數(shù)與空氣流速的變化關(guān)系

圖6 散熱器空氣壓力損失與空氣質(zhì)量流速的變化關(guān)系

表8 冷側(cè)為鋸齒形翅片和百葉窗翅片性能對比表

表9 噴涂納米材料散熱器性能對比

2.2 冷卻風(fēng)機(jī)

2.2.1 總體結(jié)構(gòu)

冷卻風(fēng)機(jī)采用可獨(dú)立拆卸吊裝結(jié)構(gòu)，單臺風(fēng)機(jī)性能參數(shù)見表10。冷卻風(fēng)機(jī)主要由軸流風(fēng)扇、變頻電機(jī)、風(fēng)機(jī)安裝座等組成。軸流風(fēng)扇直徑為560 mm，頂部安裝防雨整流罩。

表10 單臺風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

2.2.2 軸流風(fēng)扇選型及試驗對比

在冷卻系統(tǒng)樣機(jī)中針對風(fēng)扇1（見圖7）和風(fēng)扇2（見圖8）進(jìn)行了對比測試，結(jié)果如表11所示。在相同轉(zhuǎn)速情況下，風(fēng)扇2比風(fēng)扇1風(fēng)量略高，在1 m處噪聲低約1～2 dB（A），3 m處噪聲低約1～3 dB（A），故最終選用風(fēng)扇2。

表11 風(fēng)扇性能對比試驗結(jié)果

2.3 冷卻系統(tǒng)膨脹水箱

初步方案中膨脹水箱主要由水箱本體、壓力釋放閥（0.02～0.04 MPa）、液位計、液位開關(guān)、水箱排水閥等零部件組成，水箱本體上設(shè)有排氣口、補(bǔ)水口等，見圖9。

圖7 風(fēng)扇1

圖8 風(fēng)扇2

圖9 優(yōu)化前膨脹水箱結(jié)構(gòu)圖

由于試驗中發(fā)現(xiàn)了燃料電池內(nèi)空氣很難排凈的問題，后續(xù)進(jìn)行了膨脹水箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計：將其由壓力水箱改為無壓水箱，由空氣濾清器替代壓力釋放閥。優(yōu)化方案見圖10。再次試驗的結(jié)果表明，該結(jié)構(gòu)方案滿足排氣要求。

圖10 優(yōu)化后的膨脹水箱結(jié)構(gòu)圖

3 冷卻系統(tǒng)強(qiáng)度及模態(tài)分析

通過ANSYS Workbench有限元分析軟件對燃料電池有軌電車?yán)鋮s裝置進(jìn)行結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和模態(tài)分析。靜強(qiáng)度和疲勞強(qiáng)度分析載荷依據(jù)EN 12663《鐵路應(yīng)用——鐵路車輛車體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求》。

振動和沖擊載荷下的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計算結(jié)果表明，冷卻系統(tǒng)滿足EN 12663規(guī)定的各工況下安全系數(shù)要求，以及鋁合金、碳鋼結(jié)構(gòu)的母材和焊縫的最大應(yīng)力計算結(jié)果小于對應(yīng)的疲勞極限要求。

模態(tài)分析結(jié)果表明，冷卻系統(tǒng)第一階整體振型頻率為10.91 Hz，整體振動振幅可被減振器抑制。

根據(jù)分析結(jié)果對冷卻裝置箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并對冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了0～50 Hz運(yùn)行振動測試，無共振現(xiàn)象，振動速度滿足設(shè)計要求。

4 樣機(jī)試驗

根據(jù)以上確定的方案，完成了冷卻系統(tǒng)樣機(jī)研制（見圖11），并進(jìn)行了試驗。

圖11 冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品圖

4.1 試驗內(nèi)容

冷卻系統(tǒng)試驗包括例行試驗、冷卻系統(tǒng)性能試驗、冷卻系統(tǒng)地面配機(jī)試驗。

（1）例行試驗：包括外觀檢查、布線和防護(hù)檢查、尺寸和公差檢查、噴漆檢查、銘牌檢查、密封性試驗、淋雨試驗、絕緣試驗、耐壓試驗、膨脹水箱功能試驗、試運(yùn)行試驗等。

（2）性能試驗：包括冷卻系統(tǒng)振動模態(tài)、傳熱性能、功耗、噪聲等試驗。

（3）地面配機(jī)試驗：包括流體溫度、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速等參數(shù)測量。

4.2 散熱性能試驗

進(jìn)行了燃料電池有軌電車?yán)鋮s裝置熱性能試驗。冷卻裝置在額定工況時的性能試驗結(jié)果見表12。

表12 燃料電池有軌電車?yán)鋮s裝置熱性能試驗數(shù)據(jù)（單散熱器）

分別測試了空氣溫度為40℃、42℃時，風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速 為 1700 r/min、2000 r/min、2500 r/min、2950 r/min時的散熱量（單散熱器），結(jié)果如圖12所示。

4.3 試驗結(jié)果分析

由表12可知，冷卻系統(tǒng)單臺散熱器額定工況下的散熱量為183.29 kW，水壓力損失為42 kPa，風(fēng)機(jī)功率為5.19 kW，滿足總體設(shè)計要求。

圖12 冷卻裝置轉(zhuǎn)速與散熱量曲線（單散熱器）

當(dāng)環(huán)境溫度為42℃，有軌電車以50 km/h勻速運(yùn)行時，燃料電池的實際靜輸出功率為154.9 kW，2套燃料電池的發(fā)熱量為191 kW。由圖12可知，冷卻系統(tǒng)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速為1 700 r/min（2套散熱器散熱量約200 kW）即可滿足冷卻要求。此時，對應(yīng)1 m處平均聲壓級為86 dB（A），滿足車輛設(shè)計要求。

5 結(jié)語

有軌電車用燃料電池冷卻系統(tǒng)在車頂布置，兼具散熱量大及空間緊湊、噪聲要求低、拆裝方便、安全性高等設(shè)計要求。本文通過多方案比選、集成設(shè)計、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計、新結(jié)構(gòu)和新材料的對比分析、樣機(jī)試制及試驗驗證工作，完成了燃料電池高效冷卻系統(tǒng)研制工作。測試結(jié)果表明，該型燃料電池冷卻系統(tǒng)達(dá)到了高效散熱、低噪聲和輕量化的預(yù)期設(shè)計要求。

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Design and Testing of High Efficient Fuel Cell Cooling System

FU Wenchao

Aiming at the design requirements for fuel cell cooling system equipped on tram，including great heat rejection quantity，compact roof space，low noise，easy disassembling and high safety，through multi-scheme comparison，integration design，structure lightweight design，prototype test，contrastive analysis and experimental verification of the new structure and new materials，the design for fuel cell cooling system with high efficiency is completed.The test results show that this type of fuel cell cooling system has achieved design requirements of efficient heat dissipation，low noise and lightweight structure.

tram；fuel cell system；cooling system；prototype test

TM911.4：U482.1

10.16037/j.1007-869x.2017.10.007

Author′s address P&T Research Center，CRRC Tangshan Co.，Ltd.，063035，Tangshan，China

*國家科技支撐項目（2014BAG08B02）

2016-02-03）