燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)傳熱與流阻性能研究*

李鑫宇 浦及 趙洪輝 都京 秦曉津 蘆巖

（中國第一汽車股份有限公司研發(fā)總院，長春 130013）

0 引言

燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)在工作時(shí)會(huì)釋放大量熱量，必須根據(jù)散熱需求合理構(gòu)建熱管理系統(tǒng)，以確保系統(tǒng)性能和可靠性。有效的水、熱管理是保證燃料電池高性能和高效率的關(guān)鍵，研究發(fā)現(xiàn)溫度的高低對(duì)燃料電池中的電堆性能影響很大。在低溫條件下，電堆內(nèi)極化增強(qiáng)，導(dǎo)致歐姆阻抗較大，電池性能降低。反之溫度升高時(shí)，電堆極化減弱，歐姆阻抗降低，有利于提高電化學(xué)反應(yīng)效率和質(zhì)子在交換膜內(nèi)的傳遞速度，可以提高電池性能[1]。此外，燃料電池質(zhì)子交換膜的含水量也是影響燃料電池電堆導(dǎo)電性能的重要因素。溫度分布對(duì)燃料電池質(zhì)子交換膜的含水量有顯著影響，其決定了水的蒸發(fā)和凝結(jié)，影響了水的分布，無效或不充分的電池冷卻會(huì)導(dǎo)致整個(gè)或局部電池溫度過高，從而使得燃料電池質(zhì)子交換膜脫水、收縮、褶皺甚至破裂，影響燃料電池質(zhì)子交換膜的水合，降低質(zhì)子傳導(dǎo)率和相應(yīng)的電池性能。因此，需要建立有效的熱管理系統(tǒng)來控制燃料電池內(nèi)部的熱平衡，使其在合理的溫度范圍內(nèi)工作[2]。

由于燃料電池?zé)峁芾硎侨剂想姵匕l(fā)動(dòng)機(jī)的重點(diǎn)研究領(lǐng)域，很多國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了相關(guān)領(lǐng)域的研究[3-4]，大部分研究都集中在建立零部件模型，對(duì)熱管理系統(tǒng)中某一個(gè)部件溫度及流阻進(jìn)行不同工況條件下的計(jì)算分析或仿真分析，比如電堆、散熱器等。或者采用一維建模的仿真分析方法對(duì)整個(gè)熱管理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，研究壓力和流量的動(dòng)態(tài)變化以及溫度隨時(shí)間的動(dòng)態(tài)變化規(guī)律。

通過合理選配某燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)所需部件，并建立三維流體仿真模型，利用ANSYS Flu?ent平臺(tái)對(duì)熱管理系統(tǒng)的2種工況即大循環(huán)、小循環(huán)冷卻模式進(jìn)行流體仿真分析，研究水泵、散熱器、節(jié)溫器等零部件對(duì)熱管理系統(tǒng)流阻及溫度的影響，旨在為燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

1 熱管理系統(tǒng)理論計(jì)算

1.1 熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求

根據(jù)某款燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理循環(huán)系統(tǒng)的輸入特性，通過ANSYS Fluent 平臺(tái)對(duì)大循環(huán)、小循環(huán)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行流體仿真分析，研究系統(tǒng)輸出溫度變化及流阻特性，分析燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否滿足項(xiàng)目開發(fā)需求，從而為產(chǎn)品設(shè)計(jì)提供依據(jù)。熱管理系統(tǒng)冷卻目標(biāo)主要包括以下3點(diǎn)。

（1）為使電堆能夠高效、穩(wěn)定運(yùn)行，冷卻劑進(jìn)入電堆時(shí)溫度小于70 ℃，電堆流阻小于0.08 MPa；

（2）為使電堆處于最佳工作溫度范圍，須確保其工作溫度控制在70～80 ℃；

（3）查看各零部件流阻變化，保證系統(tǒng)空間上的流阻均勻分布，滿足冷卻系統(tǒng)良好的熱交換能力的同時(shí)使壓力損失最小。

1.2 零部件選型

1.2.1 高壓水泵

高壓水泵采用閉式葉輪，一體式集成，具有結(jié)構(gòu)緊湊、高效率和大揚(yáng)程的特點(diǎn)。電壓范圍較寬，達(dá)到250~420 V，從而提供一定流量的冷卻液循環(huán)，滿足燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)熱管理需求。

為了獲得良好的散熱性能和更長的使用壽命，將水泵安裝在冷卻系統(tǒng)中水位最低點(diǎn)，避免了進(jìn)水口垂直向上放置，并且有良好的通風(fēng)和防塵效果。

1.2.2 電子節(jié)溫器

電子節(jié)溫器根據(jù)冷卻液的溫度調(diào)節(jié)打開和關(guān)閉。閥開度由電機(jī)驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)流量分配和流路切換，從而控制散熱器的散熱量，保證燃料電池的工作溫度在合理范圍內(nèi)。該熱管理系統(tǒng)選用的電子節(jié)溫器流阻特性見圖1。該節(jié)溫器初開溫度為60 ℃，全開溫度為70 ℃。

圖1 電子節(jié)溫器流阻特性

1.2.3 PTC加熱器

本系統(tǒng)采用大功率汽車水加熱器總成，根據(jù)暖風(fēng)系統(tǒng)與熱管理系統(tǒng)集成設(shè)計(jì)方案，在電堆冷卻水出口管路設(shè)計(jì)分支水路，同時(shí)連接高壓水泵、正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coefficient,PTC）加熱器，并由電子節(jié)溫器控制進(jìn)入分支水路的水量。電堆在冷啟動(dòng)過程中，與暖風(fēng)系統(tǒng)共用水加熱器，使電堆溫度快速升到工作溫度。所選PTC的流阻特性曲線如圖2所示。

圖2 PTC流阻特性

1.2.4 散熱器

本系統(tǒng)選用鋁合金材質(zhì)的空氣側(cè)傳熱阻力性能散熱器，用數(shù)值模擬的方法簡(jiǎn)化散熱器模型。在散熱器的熱傳導(dǎo)過程中，散熱片是鋁制零件，空氣為流體，兩者存在熱量交換，將系統(tǒng)中冷卻液的熱量散熱到大氣中，強(qiáng)迫風(fēng)冷是散熱器散熱性能的關(guān)鍵。散熱器流阻特性如圖3所示。

圖3 散熱器流阻特性

1.3 零部件流阻特性計(jì)算

該流體分析中節(jié)溫器、PTC 以及散熱器均利用多孔介質(zhì)模型來表達(dá)已知速度和壓降之間的關(guān)系。Flu?ent中的多孔介質(zhì)需要用戶指定各方向的粘性阻力因數(shù)與慣性阻力因數(shù)。這兩個(gè)因數(shù)矩陣用于確定各方向壓力降與速度之間的函數(shù)關(guān)系，從而利用速度計(jì)算壓力損失。Fluent中多孔介質(zhì)區(qū)域壓降與速度之間的擬合函數(shù)形式，如式（1）、式（2）：

式中，a為二階系數(shù)；b為一階系數(shù)；C2為慣性阻力因數(shù)；ρ為流體密度；Δn為沿著該方向的多孔介質(zhì)區(qū)域厚度；α為滲透率；1/α為粘性阻力因數(shù)；μ為動(dòng)力粘度。

當(dāng)通過函數(shù)擬合得到二階系數(shù)a之后，即可求得慣性阻力因數(shù)C2。

當(dāng)通過函數(shù)擬合后的一階系數(shù)b計(jì)算出粘性阻力因數(shù)。因此根據(jù)公式（1）～（3），求得節(jié)溫器的慣性阻力因數(shù)為：

節(jié)溫器的粘性阻力因數(shù)為：

PTC的慣性阻力因數(shù)為：

PTC的粘性阻力因數(shù)為：

散熱器的慣性阻力因數(shù)為：

散熱器的粘性阻力因數(shù)為：

1.4 散熱器傳熱因數(shù)計(jì)算

假設(shè)不考慮散熱器的熱輻射，那么散熱器與流動(dòng)空氣之間存在對(duì)流換熱。影響對(duì)流換熱的因素有很多，包括流體種類、物理性質(zhì)、入口溫度、空氣速度、表面溫度、環(huán)境溫度、形狀和尺寸[3-4]，這些因素可以通過試驗(yàn)獲得數(shù)據(jù)，并體現(xiàn)在輸入Fluent 散熱器模型的設(shè)置過程中。冷卻液乙二醇溶液將一部分熱量傳遞給散熱片，流動(dòng)空氣通過與散熱片進(jìn)行對(duì)流，實(shí)現(xiàn)固體區(qū)域與流體區(qū)域熱交換。本文在進(jìn)行散熱器的模擬分析時(shí)，根據(jù)Patankar等[5]提出利用多孔介質(zhì)方法對(duì)整體散熱器進(jìn)行模擬，這樣可以有效地將流過散熱器中的流體運(yùn)用阻力因數(shù)表達(dá)多孔介質(zhì)的流阻特性，從而計(jì)算散熱器的散熱性能。同時(shí)需要計(jì)算散熱器表面的換熱系數(shù)，賦予散熱器對(duì)流換熱特性，這是整個(gè)熱管理系統(tǒng)中散熱器最關(guān)鍵的指標(biāo)[6-7]。

本文分析的工況為當(dāng)車速為80 km/h對(duì)應(yīng)的散熱器換熱系數(shù)，空氣平均溫度為30 ℃時(shí)的物性參數(shù)：

空氣的導(dǎo)熱系數(shù)為：

空氣的運(yùn)動(dòng)粘度為：

根據(jù)雷諾準(zhǔn)則，得出式（4）：

式中，ω為風(fēng)速；l為散熱器單個(gè)散熱片定型尺寸。

根據(jù)雷諾數(shù)Re=(1~200)×103，選擇管束換熱的準(zhǔn)則方程式，如式（5）：

式中，εz為排數(shù)修正因數(shù)。

根據(jù)努謝爾特準(zhǔn)則方程，得出式（6）：

式中，B為表面?zhèn)鳠嵋驍?shù)。

求得散熱器表面?zhèn)鳠嵋驍?shù)為：

2 熱管理系統(tǒng)建模及網(wǎng)格分析

2.1 熱管理系統(tǒng)建模

熱管理系統(tǒng)仿真分析時(shí)包含3種工況：

（1）節(jié)溫器開度為0%，冷卻系統(tǒng)進(jìn)入小循環(huán)；

（2）節(jié)溫器開度為100%，冷卻系統(tǒng)進(jìn)入大循環(huán)；

（3）節(jié)溫器開度為0%～100%，小循環(huán)與大循環(huán)并行承擔(dān)冷卻任務(wù)。

為了研究熱管理系統(tǒng)的冷卻及流阻特性，本文分析了前2種工況。大循環(huán)電堆出口溫度為78 ℃，入口壓力為0.05 MPa。小循環(huán)節(jié)溫器初開溫度為60 ℃，電堆入口壓力為0.035 MPa，分析節(jié)溫器在極限開度時(shí)系統(tǒng)輸出的溫度、流阻指標(biāo)能否滿足進(jìn)入電堆要求。依次建立小循環(huán)流體模型，包括水泵、節(jié)溫器、PTC以及相連接管路，如圖4所示。其中，管路流道是從已知管路腔中抽取的流體域模型，通過計(jì)算模型內(nèi)部型腔體積來簡(jiǎn)化模擬水泵、節(jié)溫器部件流體域模型。

圖4 小循環(huán)流體域模型

同樣，通過提取流道的方式建立大循環(huán)冷卻系統(tǒng)模型，冷卻液從電堆出口流出，途經(jīng)水泵、節(jié)溫器、散熱器，最終流回電堆入口（圖5）。

圖5 大循環(huán)流體域模型

2.2 系統(tǒng)模型網(wǎng)格劃分

本文采用結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格與非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格相結(jié)合進(jìn)行網(wǎng)格劃分，能夠提高網(wǎng)格的自適應(yīng)性、節(jié)省模擬計(jì)算時(shí)間和提高計(jì)算精度。因模型中管路多為變曲率半徑，且折彎較多。為使管路壁面處反映出更加真實(shí)的參數(shù)梯度變化，在管路表面設(shè)置邊界層，因此大部分結(jié)構(gòu)采用非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格，即四面體網(wǎng)格。四面體網(wǎng)格的優(yōu)點(diǎn)是劃分網(wǎng)格時(shí)能適用于任意復(fù)雜的外形實(shí)體，缺點(diǎn)就是單元及節(jié)點(diǎn)數(shù)量會(huì)相對(duì)較多，計(jì)算時(shí)間較長。最后通過傾斜度、正交質(zhì)量工具來判斷網(wǎng)格質(zhì)量。采用傾斜度方法，其值均處于0和1之間，越靠近0 越好，靠近1 則越差。正交質(zhì)量評(píng)價(jià)方法與傾斜度相反，越靠近0越差，靠近1則越好。

小循環(huán)系統(tǒng)模型劃分后的網(wǎng)格如圖6 所示，總共存在105 159個(gè)節(jié)點(diǎn)，278 201個(gè)單元。傾斜度指標(biāo)為0.24，正交質(zhì)量為0.76，因此網(wǎng)格質(zhì)量良好，可以運(yùn)用于流體仿真分析。

圖6 小循環(huán)流體域網(wǎng)格

大循環(huán)系統(tǒng)模型劃分后的網(wǎng)格如圖7 所示，總共存在208 324個(gè)節(jié)點(diǎn)，581 144個(gè)單元。傾斜度指標(biāo)為0.26，正交質(zhì)量為0.74，因此網(wǎng)格質(zhì)量良好，可以用于流體仿真分析。

圖7 大循環(huán)流體域網(wǎng)格

2.3 材料參數(shù)設(shè)置

熱管理循環(huán)系統(tǒng)零部件包括水泵、節(jié)溫器、散熱器、PTC及相連管路，該壁面部分為固體域，在固體域材料庫中建立相對(duì)應(yīng)的密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)，見表1。內(nèi)部的流體介質(zhì)為乙二醇溶液，體積比混合比例為1∶1，該部分組成流體域，材料輸入密度、比熱容、導(dǎo)熱系數(shù)、動(dòng)力粘度，賦予系統(tǒng)材料特性。

表1 流固材料特性

3 仿真結(jié)果及特性分析

利用Fluent 提供的圖形工具可以很方便地觀察CFD 求解結(jié)果，并得到滿意的數(shù)據(jù)和圖形，用來定性或者定量研究整個(gè)計(jì)算結(jié)果。在Fluent 中能夠方便地生成網(wǎng)格圖、等值線圖、剖面圖、速度矢量圖和跡線圖等圖形來觀察計(jì)算結(jié)果。該仿真分析主要用到了壓力、速度、溫度分布云圖以及速度矢量圖。

3.1 熱管理系統(tǒng)小循環(huán)仿真結(jié)果分析

根據(jù)熱管理小循環(huán)系統(tǒng)零部件各項(xiàng)性能參數(shù)的輸入，經(jīng)Fluent 湍流模型計(jì)算分析，得出系統(tǒng)流體溫度及流阻變化，輸出參數(shù)詳見表2、表3，小循環(huán)中各零部件的溫度、流阻、流速變化云紋圖見圖8~圖10。

表2 小循環(huán)系統(tǒng)溫度 ℃

表3 小循環(huán)系統(tǒng)流阻 MPa

圖8 小循環(huán)冷卻系統(tǒng)溫度

圖9 小循環(huán)冷卻系統(tǒng)流阻

圖10 小循環(huán)冷卻系統(tǒng)流速

從小循環(huán)冷卻系統(tǒng)流阻輸出參數(shù)可以得出，PTC在該工況條件下的壓降變化為0.102 MPa，流阻值較大。除此之外，該工況條件對(duì)進(jìn)出PTC的管路設(shè)計(jì)也有一定影響（圖11、圖12）。因管路半徑變小，在管路90°折彎處比130°折彎處內(nèi)部流體沖擊更強(qiáng)，流阻更大，此時(shí)管路90°折彎處的最大流速為3.48 m/s。

圖11 PTC出口管路90°折彎處截面流速

圖12 PTC出口管路130°折彎處截面流速

3.2 熱管理系統(tǒng)大循環(huán)仿真結(jié)果分析

根據(jù)熱管理大循環(huán)系統(tǒng)零部件各項(xiàng)性能參數(shù)的輸入，經(jīng)Fluent 湍流模型計(jì)算分析，得出系統(tǒng)流體溫度及流阻變化，輸出參數(shù)詳見表4、表5，大循環(huán)中各零部件的溫度、流阻、流速變化云紋圖見圖13~圖16。

表4 大循環(huán)系統(tǒng)溫度 ℃

表5 大循環(huán)系統(tǒng)流阻 MPa

圖13 大循環(huán)冷卻系統(tǒng)溫度

圖14 散熱器橫截面溫度

圖15 大循環(huán)冷卻系統(tǒng)流阻

圖16 大循環(huán)冷卻系統(tǒng)流速

大循環(huán)冷卻系統(tǒng)最大流速出現(xiàn)在散熱器入口處，管路處流速分布均勻合理，未出現(xiàn)局部流速過大現(xiàn)象，表明管路結(jié)構(gòu)合理，滿足設(shè)計(jì)需求。

4 結(jié)束語

本文通過合理選配某燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)熱管理系統(tǒng)所需部件，利用Fluent 平臺(tái)對(duì)熱管理系統(tǒng)的2 種工況即大循環(huán)、小循環(huán)冷卻模式進(jìn)行流體分析，研究水泵、散熱器、節(jié)溫器、PTC零部件對(duì)熱管理系統(tǒng)流阻及溫度的影響，計(jì)算分析可以為燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)和依據(jù)。

小循環(huán)冷卻系統(tǒng)在流體分析時(shí)PTC 進(jìn)出口處的流阻值變化較大，與PTC 自身流阻及接口半徑有關(guān)，需要進(jìn)一步優(yōu)化PTC擺放位置，減小流阻。

小循環(huán)系統(tǒng)中PTC出口管路在折彎90°處流速最大（3.48 m/s），因此硅膠管路在該處長期受到較大沖擊力，易對(duì)管路造成疲勞損壞，需要進(jìn)一步優(yōu)化管路結(jié)構(gòu)，減小流速對(duì)管路的影響。

當(dāng)電子節(jié)溫器開度為100%時(shí)，熱管理系統(tǒng)進(jìn)入大循環(huán)，當(dāng)出堆溫度為78 ℃時(shí)，冷卻劑進(jìn)入電堆溫度為68.05 ℃，滿足進(jìn)堆溫度小于70 ℃的要求，且溫差小于10 ℃，因此大循環(huán)散熱性能滿足熱管理系統(tǒng)需求。

大循環(huán)冷卻系統(tǒng)中電堆流阻值為0.051 MPa，滿足電堆流阻指標(biāo)要求，且各部件流阻變化較為穩(wěn)定，流速分布合理，因此大循環(huán)熱管理系統(tǒng)流阻指標(biāo)滿足性能需求。

為了提高評(píng)估燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)仿真的精確性，后續(xù)還應(yīng)不斷完善及細(xì)化各零部件內(nèi)部腔體結(jié)構(gòu)，使得內(nèi)部流體域得到真實(shí)還原，并結(jié)合試驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)驗(yàn)證其精確性。此外該仿真分析圍繞著節(jié)溫器全開與關(guān)進(jìn)入大、小循環(huán)的2種工況，還可對(duì)節(jié)溫器的各個(gè)開度對(duì)熱管理系統(tǒng)的影響進(jìn)行分析，通過不同流量分配制定合理控制策略實(shí)現(xiàn)智能熱管理系統(tǒng)的高效運(yùn)作。