燃料電池高效冷卻系統設計與測試*

付穩超

燃料電池高效冷卻系統設計與測試*

付穩超

（中車唐山機車車輛有限公司產品研發中心，063035，唐山//高級工程師）

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

有軌電車；燃料電池系統；冷卻系統；樣機試驗

以氫為能源進行發電的燃料電池動力系統具備清潔、高效、無污染等優點，是符合國家未來清潔能源戰略的技術之一［1］。如何將氫燃料電池作為動力系統運用在城市軌道交通（以下簡為“城軌”）車輛上，已日益受到國內外學者的重點關注［2-3］。燃料電池在工作時的理化反應會產生大量的熱，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，冷卻系統是燃料電池供電技術研究的重點之一。其作用是確保燃料電池系統工作在適宜溫度范圍，以保證較高的供電效率。文獻［4］建立了質子交換膜燃料電池熱管理系統模型，對燃料電池系統及熱管理系統的工作特性進行系統研究。文獻［5］根據燃料電池的熱特性，對燃料電池汽車散熱模塊進行仿真計算，通過試驗驗證，獲得了適應性較好的散熱裝置效率分析方法。文獻［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動機散熱器的散熱效果進行了比較。

本文研究的燃料電池混合動力有軌電車樣車在快速運行時，單套燃料電池系統會產生150～170 kW的熱量。設計要求在外溫為42℃時，電池模塊進水溫度不高于66℃，散熱量大，溫差小［7］，且同時應具備空間緊湊、噪聲低、拆裝方便、安全性高等優勢。因此，本文主要研究內容如下：

（1）冷卻系統多方案比選：對燃料電池冷卻方式和系統構成進行綜合比選。

（2）冷卻系統集成設計：進行關鍵部件間的優化匹配設計，優選最佳方案并確定適用的換熱元件結構，降低系統噪聲和輔助功耗。

（3）冷卻系統結構輕量化設計：通過強度、模態計算，優化系統結構，減少系統質量和體積。

（4）樣機研制及試驗驗證：進行試驗樣機研制及冷卻系統工作特性試驗驗證，經過進一步優化，最終完成裝車用樣機研制。

1 技術方案

1.1 冷卻系統工作原理

冷卻系統由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。燃料電池系統工作時，燃料電池出口的高溫冷卻液與通過散熱器的環境空氣進行熱交換后，再流回燃料電池模塊。同時，冷卻風機帶動環境空氣冷卻通過散熱器的冷卻液，然后排向車體頂部。

圖1 冷卻系統工作原理

1.2 技術要求

在規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，冷卻系統應能同時冷卻2套燃料電池模塊。單套燃料電池模塊冷卻技術參數見表1。

表1 單套燃料電池冷卻系統技術參數

1.3 總體布置方案

根據冷卻系統的散熱要求、車體空間布置、散熱器與風扇性能匹配等情況，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，主要區別在于風機數量及其布置方式不同。

經綜合考慮，確定采用方案5。冷卻裝置詳細結構如圖2所示。冷卻裝置主要由散熱器、風機、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網以防大顆粒異物對風扇造成損傷，底部設置排水設施，兩端分別設置膨脹水箱和電連接器。冷卻裝置內部分布4臺軸流風機，每2臺風機同時冷卻1臺散熱器，采用吸風式冷卻。

表2 總體布置方案對比表

由于結構過于緊湊，后續結構設計時應采取相關降噪措施。

圖2 冷卻裝置結構示意圖

2 詳細設計方案

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、質量限制等問題，箱體采用鋁合金材料制作，并對關鍵部件進行深入研究及優化設計。

2.1 散熱器

2.1.1 總體結構方案

散熱器采用鋁制板翅式結構，以最大限度減重。本文根據最高工作壓力、傳熱能力、允許壓力降、流體性能、流量等因素進行散熱器翅片優選。在本氣-液散熱器中，熱邊介質是乙二醇水溶液，其傳熱系數較大，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，其傳熱系數較小，可選用高而薄的鋸齒形或百葉窗式翅片，以增加傳熱面積、加強流體擾動，進而提高換熱效率。冷熱兩側翅片結構如圖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構，采用熱側單流程，冷側單流程。

2.1.2 散熱器性能計算

散熱器冷卻液入口條件參數按表1考慮。根據給定的運行條件和性能指標，經過迭代計算，得到散熱器芯體幾何結構參數，如表3～6所示。

圖3 散熱器兩側翅片幾何結構示意圖

表3 散熱器芯體結構參數

表4 熱側傳熱表面類型結構參數

表5 冷側傳熱表面類型結構參數

表6 整體計算結果

2.1.3 翅片優選

根據優化計算結果及現有產品試驗數據，綜合考慮傳熱、通風、噪聲等多方面因素，初步確定了2種散熱器結構參數，如表7和圖4所示。

表7 初步確定的散熱器翅片結構參數

圖4 初步確定的散熱器翅片結構示意圖

在外溫為42℃，冷卻液出口溫度約63℃條件下，分別測試冷側為鋸齒形翅片和百葉窗翅片的散熱器試驗件的氣側傳熱系數、空氣壓力損失與空氣質量流速的變化關系。測試結果如圖5、6所示。

兩種翅片在設計流量點的性能對比見表8。可見，在相同空氣流速時，鋸齒形翅片的傳熱系數略高于百葉窗翅片，空氣壓力損失遠低于百葉窗翅片，更適宜作為冷側翅片。

2.1.4 納米涂料傳熱增強試驗

對散熱器進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傳熱系數、空氣壓力損失在設計流量點的性能對比見表9。可見，在相同空氣流速時，噴涂納米涂料的散熱器氣側傳熱系數高于噴涂前約6%，流阻基本沒有變化，可在后續樣機研制中采用。

圖5 散熱器氣側傳熱系數與空氣流速的變化關系

圖6 散熱器空氣壓力損失與空氣質量流速的變化關系

表8 冷側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 冷卻風機

2.2.1 總體結構

冷卻風機采用可獨立拆卸吊裝結構，單臺風機性能參數見表10。冷卻風機主要由軸流風扇、變頻電機、風機安裝座等組成。軸流風扇直徑為560 mm，頂部安裝防雨整流罩。

表10 單臺風機性能參數

2.2.2 軸流風扇選型及試驗對比

在冷卻系統樣機中針對風扇1（見圖7）和風扇2（見圖8）進行了對比測試，結果如表11所示。在相同轉速情況下，風扇2比風扇1風量略高，在1 m處噪聲低約1～2 dB（A），3 m處噪聲低約1～3 dB（A），故最終選用風扇2。

表11 風扇性能對比試驗結果

2.3 冷卻系統膨脹水箱

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、水箱排水閥等零部件組成，水箱本體上設有排氣口、補水口等，見圖9。

圖7 風扇1

圖8 風扇2

圖9 優化前膨脹水箱結構圖

由于試驗中發現了燃料電池內空氣很難排凈的問題，后續進行了膨脹水箱結構優化設計：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。優化方案見圖10。再次試驗的結果表明，該結構方案滿足排氣要求。

圖10 優化后的膨脹水箱結構圖

3 冷卻系統強度及模態分析

通過ANSYS Workbench有限元分析軟件對燃料電池有軌電車冷卻裝置進行結構強度和模態分析。靜強度和疲勞強度分析載荷依據EN 12663《鐵路應用——鐵路車輛車體的結構強度要求》。

振動和沖擊載荷下的靜強度及疲勞強度計算結果表明，冷卻系統滿足EN 12663規定的各工況下安全系數要求，以及鋁合金、碳鋼結構的母材和焊縫的最大應力計算結果小于對應的疲勞極限要求。

模態分析結果表明，冷卻系統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。

根據分析結果對冷卻裝置箱體結構進行了優化，并對冷卻系統進行了0～50 Hz運行振動測試，無共振現象，振動速度滿足設計要求。

4 樣機試驗

根據以上確定的方案，完成了冷卻系統樣機研制（見圖11），并進行了試驗。

圖11 冷卻系統產品圖

4.1 試驗內容

冷卻系統試驗包括例行試驗、冷卻系統性能試驗、冷卻系統地面配機試驗。

（1）例行試驗：包括外觀檢查、布線和防護檢查、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、試運行試驗等。

（2）性能試驗：包括冷卻系統振動模態、傳熱性能、功耗、噪聲等試驗。

（3）地面配機試驗：包括流體溫度、風扇轉速等參數測量。

4.2 散熱性能試驗

進行了燃料電池有軌電車冷卻裝置熱性能試驗。冷卻裝置在額定工況時的性能試驗結果見表12。

表12 燃料電池有軌電車冷卻裝置熱性能試驗數據（單散熱器）

分別測試了空氣溫度為40℃、42℃時，風機轉速 為 1700 r/min、2000 r/min、2500 r/min、2950 r/min時的散熱量（單散熱器），結果如圖12所示。

4.3 試驗結果分析

由表12可知，冷卻系統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，風機功率為5.19 kW，滿足總體設計要求。

圖12 冷卻裝置轉速與散熱量曲線（單散熱器）

當環境溫度為42℃，有軌電車以50 km/h勻速運行時，燃料電池的實際靜輸出功率為154.9 kW，2套燃料電池的發熱量為191 kW。由圖12可知，冷卻系統風扇轉速為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1 m處平均聲壓級為86 dB（A），滿足車輛設計要求。

5 結語

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

［1］ 衣寶廉．燃料電池——原理技術應用［M］．北京：化學工業出版社，2003.

［2］ 陳壁峰，錢彩霞，詹志剛．燃料電池氣、水、熱平衡分析及綜合管理系統［J］．世界科技研究與發展，2009，31（2）：305-307.

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［5］ 常國峰，曾輝杰，許思傳，等．燃料電池熱管理仿真模型［J］．同濟大學學報，2014，42（8）：1216-1220.

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［7］ 張揚軍，李希浩，黃海燕，等．燃料電池汽車動力系統熱管理［J］．汽車工程，2003，25（6）：561-565.

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）