燃料電池發動機熱管理系統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總院，長春 130013）

0 引言

燃料電池發動機系統在工作時會釋放大量熱量，必須根據散熱需求合理構建熱管理系統，以確保系統性能和可靠性。有效的水、熱管理是保證燃料電池高性能和高效率的關鍵，研究發現溫度的高低對燃料電池中的電堆性能影響很大。在低溫條件下，電堆內極化增強，導致歐姆阻抗較大，電池性能降低。反之溫度升高時，電堆極化減弱，歐姆阻抗降低，有利于提高電化學反應效率和質子在交換膜內的傳遞速度，可以提高電池性能[1]。此外，燃料電池質子交換膜的含水量也是影響燃料電池電堆導電性能的重要因素。溫度分布對燃料電池質子交換膜的含水量有顯著影響，其決定了水的蒸發和凝結，影響了水的分布，無效或不充分的電池冷卻會導致整個或局部電池溫度過高，從而使得燃料電池質子交換膜脫水、收縮、褶皺甚至破裂，影響燃料電池質子交換膜的水合，降低質子傳導率和相應的電池性能。因此，需要建立有效的熱管理系統來控制燃料電池內部的熱平衡，使其在合理的溫度范圍內工作[2]。

由于燃料電池熱管理是燃料電池發動機的重點研究領域，很多國內外學者都進行了相關領域的研究[3-4]，大部分研究都集中在建立零部件模型，對熱管理系統中某一個部件溫度及流阻進行不同工況條件下的計算分析或仿真分析，比如電堆、散熱器等?；蛘卟捎靡痪S建模的仿真分析方法對整個熱管理系統進行模擬，研究壓力和流量的動態變化以及溫度隨時間的動態變化規律。

通過合理選配某燃料電池發動機熱管理系統所需部件，并建立三維流體仿真模型，利用ANSYS Flu?ent平臺對熱管理系統的2種工況即大循環、小循環冷卻模式進行流體仿真分析，研究水泵、散熱器、節溫器等零部件對熱管理系統流阻及溫度的影響，旨在為燃料電池熱管理系統設計提供指導和依據。

1 熱管理系統理論計算

1.1 熱管理系統設計要求

根據某款燃料電池發動機熱管理循環系統的輸入特性，通過ANSYS Fluent 平臺對大循環、小循環冷卻系統進行流體仿真分析，研究系統輸出溫度變化及流阻特性，分析燃料電池發動機熱管理系統的設計是否滿足項目開發需求，從而為產品設計提供依據。熱管理系統冷卻目標主要包括以下3點。

（1）為使電堆能夠高效、穩定運行，冷卻劑進入電堆時溫度小于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，保證系統空間上的流阻均勻分布，滿足冷卻系統良好的熱交換能力的同時使壓力損失最小。

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，具有結構緊湊、高效率和大揚程的特點。電壓范圍較寬，達到250~420 V，從而提供一定流量的冷卻液循環，滿足燃料電池發動機系統熱管理需求。

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中水位最低點，避免了進水口垂直向上放置，并且有良好的通風和防塵效果。

1.2.2 電子節溫器

電子節溫器根據冷卻液的溫度調節打開和關閉。閥開度由電機驅動調節，實現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。該熱管理系統選用的電子節溫器流阻特性見圖1。該節溫器初開溫度為60 ℃，全開溫度為70 ℃。

圖1 電子節溫器流阻特性

1.2.3 PTC加熱器

本系統采用大功率汽車水加熱器總成，根據暖風系統與熱管理系統集成設計方案，在電堆冷卻水出口管路設計分支水路，同時連接高壓水泵、正溫度系數（Positive Temperature Coefficient,PTC）加熱器，并由電子節溫器控制進入分支水路的水量。電堆在冷啟動過程中，與暖風系統共用水加熱器，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

本系統選用鋁合金材質的空氣側傳熱阻力性能散熱器，用數值模擬的方法簡化散熱器模型。在散熱器的熱傳導過程中，散熱片是鋁制零件，空氣為流體，兩者存在熱量交換，將系統中冷卻液的熱量散熱到大氣中，強迫風冷是散熱器散熱性能的關鍵。散熱器流阻特性如圖3所示。

圖3 散熱器流阻特性

1.3 零部件流阻特性計算

該流體分析中節溫器、PTC 以及散熱器均利用多孔介質模型來表達已知速度和壓降之間的關系。Flu?ent中的多孔介質需要用戶指定各方向的粘性阻力因數與慣性阻力因數。這兩個因數矩陣用于確定各方向壓力降與速度之間的函數關系，從而利用速度計算壓力損失。Fluent中多孔介質區域壓降與速度之間的擬合函數形式，如式（1）、式（2）：

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

當通過函數擬合得到二階系數a之后，即可求得慣性阻力因數C2。

當通過函數擬合后的一階系數b計算出粘性阻力因數。因此根據公式（1）～（3），求得節溫器的慣性阻力因數為：

節溫器的粘性阻力因數為：

PTC的慣性阻力因數為：

PTC的粘性阻力因數為：

散熱器的慣性阻力因數為：

散熱器的粘性阻力因數為：

1.4 散熱器傳熱因數計算

假設不考慮散熱器的熱輻射，那么散熱器與流動空氣之間存在對流換熱。影響對流換熱的因素有很多，包括流體種類、物理性質、入口溫度、空氣速度、表面溫度、環境溫度、形狀和尺寸[3-4]，這些因素可以通過試驗獲得數據，并體現在輸入Fluent 散熱器模型的設置過程中。冷卻液乙二醇溶液將一部分熱量傳遞給散熱片，流動空氣通過與散熱片進行對流，實現固體區域與流體區域熱交換。本文在進行散熱器的模擬分析時，根據Patankar等[5]提出利用多孔介質方法對整體散熱器進行模擬，這樣可以有效地將流過散熱器中的流體運用阻力因數表達多孔介質的流阻特性，從而計算散熱器的散熱性能。同時需要計算散熱器表面的換熱系數，賦予散熱器對流換熱特性，這是整個熱管理系統中散熱器最關鍵的指標[6-7]。

本文分析的工況為當車速為80 km/h對應的散熱器換熱系數，空氣平均溫度為30 ℃時的物性參數：

空氣的導熱系數為：

空氣的運動粘度為：

根據雷諾準則，得出式（4）：

式中，ω為風速；l為散熱器單個散熱片定型尺寸。

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

式中，εz為排數修正因數。

根據努謝爾特準則方程，得出式（6）：

式中，B為表面傳熱因數。

求得散熱器表面傳熱因數為：

2 熱管理系統建模及網格分析

2.1 熱管理系統建模

熱管理系統仿真分析時包含3種工況：

（1）節溫器開度為0%，冷卻系統進入小循環；

（2）節溫器開度為100%，冷卻系統進入大循環；

（3）節溫器開度為0%～100%，小循環與大循環并行承擔冷卻任務。

為了研究熱管理系統的冷卻及流阻特性，本文分析了前2種工況。大循環電堆出口溫度為78 ℃，入口壓力為0.05 MPa。小循環節溫器初開溫度為60 ℃，電堆入口壓力為0.035 MPa，分析節溫器在極限開度時系統輸出的溫度、流阻指標能否滿足進入電堆要求。依次建立小循環流體模型，包括水泵、節溫器、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，通過計算模型內部型腔體積來簡化模擬水泵、節溫器部件流體域模型。

圖4 小循環流體域模型

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

圖5 大循環流體域模型

2.2 系統模型網格劃分

本文采用結構化網格與非結構化網格相結合進行網格劃分，能夠提高網格的自適應性、節省模擬計算時間和提高計算精度。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的參數梯度變化，在管路表面設置邊界層，因此大部分結構采用非結構化網格，即四面體網格。四面體網格的優點是劃分網格時能適用于任意復雜的外形實體，缺點就是單元及節點數量會相對較多，計算時間較長。最后通過傾斜度、正交質量工具來判斷網格質量。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。正交質量評價方法與傾斜度相反，越靠近0越差，靠近1則越好。

小循環系統模型劃分后的網格如圖6 所示，總共存在105 159個節點，278 201個單元。傾斜度指標為0.24，正交質量為0.76，因此網格質量良好，可以運用于流體仿真分析。

圖6 小循環流體域網格

大循環系統模型劃分后的網格如圖7 所示，總共存在208 324個節點，581 144個單元。傾斜度指標為0.26，正交質量為0.74，因此網格質量良好，可以用于流體仿真分析。

圖7 大循環流體域網格

2.3 材料參數設置

熱管理循環系統零部件包括水泵、節溫器、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應的密度、比熱容、導熱系數，見表1。內部的流體介質為乙二醇溶液，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、導熱系數、動力粘度，賦予系統材料特性。

表1 流固材料特性

3 仿真結果及特性分析

利用Fluent 提供的圖形工具可以很方便地觀察CFD 求解結果，并得到滿意的數據和圖形，用來定性或者定量研究整個計算結果。在Fluent 中能夠方便地生成網格圖、等值線圖、剖面圖、速度矢量圖和跡線圖等圖形來觀察計算結果。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 熱管理系統小循環仿真結果分析

根據熱管理小循環系統零部件各項性能參數的輸入，經Fluent 湍流模型計算分析，得出系統流體溫度及流阻變化，輸出參數詳見表2、表3，小循環中各零部件的溫度、流阻、流速變化云紋圖見圖8~圖10。

表2 小循環系統溫度 ℃

表3 小循環系統流阻 MPa

圖8 小循環冷卻系統溫度

圖9 小循環冷卻系統流阻

圖10 小循環冷卻系統流速

從小循環冷卻系統流阻輸出參數可以得出，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，該工況條件對進出PTC的管路設計也有一定影響（圖11、圖12）。因管路半徑變小，在管路90°折彎處比130°折彎處內部流體沖擊更強，流阻更大，此時管路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 熱管理系統大循環仿真結果分析

根據熱管理大循環系統零部件各項性能參數的輸入，經Fluent 湍流模型計算分析，得出系統流體溫度及流阻變化，輸出參數詳見表4、表5，大循環中各零部件的溫度、流阻、流速變化云紋圖見圖13~圖16。

表4 大循環系統溫度 ℃

表5 大循環系統流阻 MPa

圖13 大循環冷卻系統溫度

圖14 散熱器橫截面溫度

圖15 大循環冷卻系統流阻

圖16 大循環冷卻系統流速

大循環冷卻系統最大流速出現在散熱器入口處，管路處流速分布均勻合理，未出現局部流速過大現象，表明管路結構合理，滿足設計需求。

4 結束語

本文通過合理選配某燃料電池發動機熱管理系統所需部件，利用Fluent 平臺對熱管理系統的2 種工況即大循環、小循環冷卻模式進行流體分析，研究水泵、散熱器、節溫器、PTC零部件對熱管理系統流阻及溫度的影響，計算分析可以為燃料電池熱管理系統設計提供指導和依據。

小循環冷卻系統在流體分析時PTC 進出口處的流阻值變化較大，與PTC 自身流阻及接口半徑有關，需要進一步優化PTC擺放位置，減小流阻。

小循環系統中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，易對管路造成疲勞損壞，需要進一步優化管路結構，減小流速對管路的影響。

當電子節溫器開度為100%時，熱管理系統進入大循環，當出堆溫度為78 ℃時，冷卻劑進入電堆溫度為68.05 ℃，滿足進堆溫度小于70 ℃的要求，且溫差小于10 ℃，因此大循環散熱性能滿足熱管理系統需求。

大循環冷卻系統中電堆流阻值為0.051 MPa，滿足電堆流阻指標要求，且各部件流阻變化較為穩定，流速分布合理，因此大循環熱管理系統流阻指標滿足性能需求。

為了提高評估燃料電池熱管理系統仿真的精確性，后續還應不斷完善及細化各零部件內部腔體結構，使得內部流體域得到真實還原，并結合試驗測試數據驗證其精確性。此外該仿真分析圍繞著節溫器全開與關進入大、小循環的2種工況，還可對節溫器的各個開度對熱管理系統的影響進行分析，通過不同流量分配制定合理控制策略實現智能熱管理系統的高效運作。