用于燃料電池列車的輔助散熱方案分析

陳運恩 畢海權 茍琦林

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用于燃料電池列車的輔助散熱方案分析

陳運恩 畢海權 茍琦林

（西南交通大學機械工程學院 成都 610031）

介紹了四種用于燃料電池列車并以列車走行風進行散熱的輔助散熱方案，并結合列車實際情況對各方案進行了簡要分析。分析得出裙板換熱器輔助散熱方案相比于重力式熱管換熱方案、散熱設備換熱方案、毛細管輻射板換熱方案，對車體改動較小并且較易在工程上實現。因此在列車結構及設備確定的情況下，建議使用裙板換熱器作為輔助散熱方案。

燃料電池列車；輔助散熱方案；列車風

0 引言

燃料電池車，是以燃料電池作為發電能源帶動牽引電機為列車提供動力的一種新型、高效、節能的環保車。然而，燃料電池在化學反應過程中溫度較高，且釋放出大量的熱，因此為保證燃料車電池在60℃～80℃的理想溫度[1,2]下安全運行，必須設置專門的散熱器及時將熱量帶走。但是，由于列車運行的限制，散熱器只能放置在空間有限的列車頂部，在此限制下，散熱器為了能滿足散熱要求需要配備較大功率的風機，因而導致運行噪聲過大，不能滿足要求，故需要增加輔助散熱系統承擔部分負荷，降低主散熱器所需的風機功率，同時為了不增加燃料電池的供電負擔，輔助散熱系統最好能不使用電能。本文主要對幾種結構方案進行分析探討。

1 燃料電池列車介紹

燃料電池列車整車共3節編組，端車及中間車，燃料電池變流器、電堆、儲氣瓶及散熱器均位于中間車上。由于列車整體高度的限制，中間車車頂部件離車頂間距均小于630mm。燃料電池列車體布局如圖1所示。

圖1 車頂設備布置圖

2 重力式熱管換熱器輔助散熱

2.1 方案介紹

該方案除了安裝主散熱器進行散熱外，同時在燃料電堆上部安裝熱管換熱器，其示意圖如圖2所示。熱管內抽真空后加入水（或其他液體），熱管換熱器的下部浸沒在電堆或乙二醇水溶液中，通過熱管中介質的相變過程及重力的作用實現對乙二醇水溶液或電堆的冷卻。熱管換熱器已在汽車、空調熱回收、太陽能、廢熱利用等方面得到了較廣泛地應用[4,5]。

圖2 熱管換熱器示意圖

2.2 方案分析

重力熱管與普通熱管相比，其結構簡單、成本低廉、工作更可靠并且傳熱性能優良。介質在熱管蒸發段吸熱汽化后流向冷凝段凝結放熱，因此為保證介質能在冷凝段充分凝結，冷凝段必須具有足夠的長度，同時在其他條件不變的情況下，熱管散熱量隨著冷凝段長度的增大而增大，近似成線性關系[3]。在該方案中熱管設置在燃料電池箱區，但是電池箱自身高度已接近列車限高值，所以在車體結構及設備確定并且需要保證熱管散熱量的情況下，該方案較難適用，同時在已成型的燃料電池箱中加裝熱管散熱器實行難度較大，因此建議在前期與燃料電池箱體共同開發。

3 散熱設備輔助散熱

3.1 方案介紹

該方案主散熱器與列車內的輔助散熱設備并聯，分出一部分乙二醇水溶液通過輔助散熱設備散熱。由于主散熱器中的冷卻水溫度一般在70℃左右，吸收式熱泵機組可以利用的低品位余熱溫度為60℃～100℃[6]，因此夏季通過與放置在車頂的吸收式熱泵機組并聯，利用吸收式熱泵吸熱制冷的特點進行散熱，而在冬季時則通過與安裝在客室內的散熱器并聯進行散熱。

3.2 方案分析

該方案冬季時利用客室內的散熱器輔助散熱，即達到了給客室采暖的目的，又能滿足輔助散熱系統的散熱要求，是一個較好的方案。但是夏季采用吸收式熱泵進行散熱的方案仍存在一些問題，吸收式熱泵機組工作溫度一般較高，而冷卻液溫度是隨燃料電池功率變化的，因此冷卻液進口溫度可能不能滿足機組工作要求，這就需要對熱泵機組工作特性進行研究分析，并且使用吸收式熱泵機組時需要給溶液泵供電，這會增加燃料電池的供電負擔，因此需要進行較詳細地考慮。

4 毛細管輻射板輔助散熱

4.1 方案介紹

該方案主散熱器立式安裝在車頂兩側，并在列車側面安裝毛細管輻射板，如圖3所示。車頂主散熱器與毛細管輻射板并聯，從燃料電堆流出的乙二醇水溶液一部分通過車頂主散熱器，另一部分自上而下流過列車側面毛細管輻射板。流過毛細管輻射板的乙二醇水溶液，一方面以自然對流、強迫對流以及輻射的方式與周圍空氣換熱，另一方面，通過毛細管安裝條與車體的導熱進行散熱。

圖3 毛細管輻射板示意圖

4.2 方案分析

利用毛細管輻射板進行輔助散熱具有以下優點：首先毛細管輻射技術成熟，在德國已進行了二十多年的研究，并且還有十多年的市場成功經驗，同時在國外，也有越來越多的辦公建筑采用這一技術[7]；其次，毛細管網柵是采用3.4mm×0.55mm或4.3mm×0.85mm的塑料毛細管組成的間隔為10mm-40mm的網柵[8]，其材料主要采用PPR或PE-RT，在正常使用條件下使用壽命長，具有較好的抗沖擊性和彎曲性，整體重量較輕；最后，毛細管輻射板單位面積換熱量較大，流動阻力較小，張威對9席PE-RT材料的毛細管換熱器研究發現，當12.2%的乙二醇溶液在管內流速為0.11m/s時，換熱器單位席面積換熱量為300W/m2，流動阻力為8.2kPa[9]。但是，該方案仍存在一些問題：（1）毛細管輻射板安裝在列車側面涉及車體限界問題及車體美觀問題，如果采用該種方案有可能需要對列車結構進行改動；（2）毛細管輻射板安裝在列車側面對車內熱舒適性及站臺乘客的影響仍需進一步研究。

5 車頂裙板換熱器輔助散熱

5.1 方案介紹

將列車車頂僅起裝飾作用的裙板改裝成換熱器（管翅式，板翅式等），然后從主散熱器中分出一部分的熱流體進入裙板換熱器內，利用列車運行時的列車風進行強迫對流散熱，裙板位置如圖4所示。

圖4 裙板位置

5.2 方案分析

換熱器是各種工業部門最常見的通用熱工設備，因其結構緊湊、散熱量大的特點被廣泛應用于化工、車輛、空調等各個領域。該方案將列車車頂僅做裝飾用的裙板改裝成散熱器可以減少對車體及設備的改動，容易實現，同時國內外對換熱器的結構形式、空氣側的性能及換熱器模塊已經進行了大量研究[10,17]，為進一步研究依靠走行風散熱的換熱器提供了依據。在目前常用的換熱器中，無論是管翅式、板翅式，還是平行流式，都是通過焊接或脹管的方式實現傳熱管和翅片的連接，這使得傳熱管與翅片之間存在接觸熱阻，而且隨著換熱器使用時間的增長，特別是在潮濕條件下，焊接和脹接很容易出現脫脹、電化腐蝕等問題，極大地影響了換熱器的換熱性能，因此提出了一種新型的換熱器形式-整體式換熱器[18]，通過研究發現，其具有較好的散熱效果[19]，并且與傳統形式的換熱器相比，其性能得到了一定提升[21]，因此建議使用整體式換熱器作為裙板散熱器的形式。雖然該方案對列車改動較小且換熱器的研究較為成熟，但是有限的裙板空間使得換熱器的設計難度大大增加。

6 結語

通過對四種輔助散熱方案分析可以知道，重力式熱管輔助散熱方案較難適用于列車結構及設備已經確定的情況。在列車結構及設備確定的情況下，毛細管輻射板方案涉及到列車限界問題，同時需要考慮其對列車內部熱舒適性的影響，開發難度較大。相對的采用列車散熱設備及裙板散熱器方案對車體改動較少，較易實現，而在這兩種方案中采用列車散熱設備輔助散熱會增加燃料電池的供電負擔，因此在列車結構及設備確定的情況下，建議采用整體式的車頂裙板換熱器方案作為輔助散熱方案。

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The Analysis of Auxiliary Cooling Scheme Used for Fuel Cell Train

Chen Yun’en Bi Haiquan Gou Qilin

( School of Mechanical Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu, 610031 )

Introduces the four kinds of aided heat dissipation scheme used for fuel cell train and cooling by train wind, and combined with the actual situation to briefly analyze each scheme. The results showed that compared the apron board heat exchanger cooling scheme with the gravity type heat pipe cooling scheme, the radiating equipment cooling scheme and capillary radiant panel cooling scheme, the apron board heat exchanger cooling scheme relatively small changes to the train body and easierly achieve in engineering. Therefore, in the case of the trains structure and equipment to determine, it is recommended to use the apron board heat exchanger as an aided heat dissipation scheme.

Fuel cell train; Aided heat dissipation scheme; Train wind

1671-6612（2017）06-612-04

TK11

A

陳運恩（1991.06-），男，在讀碩士研究生，E-mail：1162321557@qq.com

畢海權（1974.12-），男，教授，E-mail：bhquan@163.com

2017-05-07