付穩(wěn)超

燃料電池高效冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)與測(cè)試*

付穩(wěn)超

（中車(chē)唐山機(jī)車(chē)車(chē)輛有限公司產(chǎn)品研發(fā)中心，063035，唐山//高級(jí)工程師）

針對(duì)有軌電車(chē)用燃料電池冷卻系統(tǒng)散熱量大及車(chē)頂空間緊湊、噪聲低、拆裝方便、安全性高等設(shè)計(jì)要求，通過(guò)多方案比選、集成設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)和新材料的對(duì)比分析、樣機(jī)試制及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，完成了燃料電池高效冷卻系統(tǒng)研制工作。測(cè)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(jì)要求。

有軌電車(chē)；燃料電池系統(tǒng)；冷卻系統(tǒng)；樣機(jī)試驗(yàn)

以氫為能源進(jìn)行發(fā)電的燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)具備清潔、高效、無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，是符合國(guó)家未來(lái)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(dòng)力系統(tǒng)運(yùn)用在城市軌道交通（以下簡(jiǎn)為“城軌”）車(chē)輛上，已日益受到國(guó)內(nèi)外學(xué)者的重點(diǎn)關(guān)注［2-3］。燃料電池在工作時(shí)的理化反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生大量的熱，而溫度對(duì)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(duì)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(duì)燃料電池汽車(chē)散熱模塊進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)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(jì)算模型，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該模型的精度，對(duì)不同工況下的燃料電池發(fā)動(dòng)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(dòng)力有軌電車(chē)樣車(chē)在快速運(yùn)行時(shí)，單套燃料電池系統(tǒng)會(huì)產(chǎn)生150～170 kW的熱量。設(shè)計(jì)要求在外溫為42℃時(shí)，電池模塊進(jìn)水溫度不高于66℃，散熱量大，溫差小［7］，且同時(shí)應(yīng)具備空間緊湊、噪聲低、拆裝方便、安全性高等優(yōu)勢(shì)。因此，本文主要研究?jī)?nèi)容如下：

（1）冷卻系統(tǒng)多方案比選：對(duì)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(jì)：進(jìn)行關(guān)鍵部件間的優(yōu)化匹配設(shè)計(jì)，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(jì)：通過(guò)強(qiáng)度、模態(tài)計(jì)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(yàn)驗(yàn)證：進(jìn)行試驗(yàn)樣機(jī)研制及冷卻系統(tǒng)工作特性試驗(yàn)驗(yàn)證，經(jīng)過(guò)進(jìn)一步優(yōu)化，最終完成裝車(chē)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(shí)，燃料電池出口的高溫冷卻液與通過(guò)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(shí)，冷卻風(fēng)機(jī)帶動(dòng)環(huán)境空氣冷卻通過(guò)散熱器的冷卻液，然后排向車(chē)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(chē)車(chē)頂安裝空間（長(zhǎng)≤1.6 m，寬≤2.05 m，高≤0.63 m）內(nèi)，冷卻系統(tǒng)應(yīng)能同時(shí)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(jiàn)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(chē)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(tái)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(guò)4個(gè)安裝座加減振器后安裝在有軌電車(chē)頂部。冷卻裝置頂部布置頂防護(hù)網(wǎng)以防大顆粒異物對(duì)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(tái)軸流風(fēng)機(jī)，每2臺(tái)風(fēng)機(jī)同時(shí)冷卻1臺(tái)散熱器，采用吸風(fēng)式冷卻。

表2 總體布置方案對(duì)比表

由于結(jié)構(gòu)過(guò)于緊湊，后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)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(jì)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(wèn)題，箱體采用鋁合金材料制作，并對(duì)關(guān)鍵部件進(jìn)行深入研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)。

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(dòng)，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(jì)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(guò)迭代計(jì)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(jì)算結(jié)果

2.1.3 翅片優(yōu)選

根據(jù)優(yōu)化計(jì)算結(jié)果及現(xiàn)有產(chǎn)品試驗(yàn)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(cè)試?yán)鋫?cè)為鋸齒形翅片和百葉窗翅片的散熱器試驗(yàn)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(cè)試結(jié)果如圖5、6所示。

兩種翅片在設(shè)計(jì)流量點(diǎn)的性能對(duì)比見(jiàn)表8?？梢?jiàn)，在相同空氣流速時(shí)，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(yàn)

對(duì)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(duì)比試驗(yàn)。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(jì)流量點(diǎn)的性能對(duì)比見(jiàn)表9?？梢?jiàn)，在相同空氣流速時(shí)，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(méi)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(duì)比表

表9 噴涂納米材料散熱器性能對(duì)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(tái)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)見(jiàn)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(tái)風(fēng)機(jī)性能參數(shù)

2.2.2 軸流風(fēng)扇選型及試驗(yàn)對(duì)比

在冷卻系統(tǒng)樣機(jī)中針對(duì)風(fēng)扇1（見(jiàn)圖7）和風(fēng)扇2（見(jiàn)圖8）進(jìn)行了對(duì)比測(cè)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(duì)比試驗(yàn)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(jì)、液位開(kāi)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(jiàn)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(yàn)中發(fā)現(xiàn)了燃料電池內(nèi)空氣很難排凈的問(wèn)題，后續(xù)進(jìn)行了膨脹水箱結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：將其由壓力水箱改為無(wú)壓水箱，由空氣濾清器替代壓力釋放閥。優(yōu)化方案見(jiàn)圖10。再次試驗(yàn)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(guò)ANSYS Workbench有限元分析軟件對(duì)燃料電池有軌電車(chē)?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(chē)輛車(chē)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求》。

振動(dòng)和沖擊載荷下的靜強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度計(jì)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(jì)算結(jié)果小于對(duì)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(dòng)振幅可被減振器抑制。

根據(jù)分析結(jié)果對(duì)冷卻裝置箱體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，并對(duì)冷卻系統(tǒng)進(jìn)行了0～50 Hz運(yùn)行振動(dòng)測(cè)試，無(wú)共振現(xiàn)象，振動(dòng)速度滿足設(shè)計(jì)要求。

4 樣機(jī)試驗(yàn)

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

圖11 冷卻系統(tǒng)產(chǎn)品圖

4.1 試驗(yàn)內(nèi)容

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

（1）例行試驗(yàn)：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(yàn)、淋雨試驗(yàn)、絕緣試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、膨脹水箱功能試驗(yàn)、試運(yùn)行試驗(yàn)等。

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

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

4.2 散熱性能試驗(yàn)

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

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

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

4.3 試驗(yàn)結(jié)果分析

由表12可知，冷卻系統(tǒng)單臺(tái)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(jì)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(chē)以50 km/h勻速運(yùn)行時(shí)，燃料電池的實(shí)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(shí)，對(duì)應(yīng)1 m處平均聲壓級(jí)為86 dB（A），滿足車(chē)輛設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)語(yǔ)

有軌電車(chē)用燃料電池冷卻系統(tǒng)在車(chē)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(jì)要求。本文通過(guò)多方案比選、集成設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)、新結(jié)構(gòu)和新材料的對(duì)比分析、樣機(jī)試制及試驗(yàn)驗(yàn)證工作，完成了燃料電池高效冷卻系統(tǒng)研制工作。測(cè)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(jì)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(guó)家科技支撐項(xiàng)目（2014BAG08B02）

2016-02-03）