汽车|高温甲醇燃料电池热管理系统设计( 三 )
此前采用的换热器结构多为肋板式结构 ， 体积和质量大 ， 且介质容积大 ， 不利于快速预热 。 本系统散热器为板翅式平行流散热器 ， 见图8 。 散热器设计结构匹配燃料电池系统进出口 ， 质量体积较之前大幅减小 ， 散热容积尽量减小并配置6 根180W电加热棒实现开机快速升温 ， 具体参数如表1所示 。
表1 原换热器方案与优化方案参数对比
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左右水室均为异型型腔如图9、图10所示 ， 电加热棒安装块采用弧形设计 ， 增大与热侧流体介质接触面积 ， 优化介质流场 。 此系统工作温度高（介质温度160℃以上） ， 散热系统内若残留空气无法排出 ， 经受热膨胀形成气泡进入介质循环回路 ， 会导致泵压力下降 ， 使电池系统工作停止 ， 因此进出水室型腔均设置为有利于气泡排出的斜面 。 同时集成了PTC 电加热棒安装模块 ， 有利于电池预热快速升温 。
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图8 原方案与新方案换热器结构对比图
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图9 进水水室型腔
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图10 出水水室型腔
2.2 换热器传热计算
本系统中冷侧介质为空气 ， 热侧介质为三乙二醇 。 利用H2O 热力学性质的统一基本方程[9]、IAWPS 公式[10]结合AP1700 网站MARS 模型求解得该系统中冷、热侧介质的物性参数 。
设计换热器冷热侧f因子、j因子经验公式参考文献中的经验关联公式[11-12]分别见式(5)～式(8) 。
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式中 ， fh为热侧流体阻力因子；jh为热侧流体传热因子；de为热侧流体当量直径 ， m；α 为换热器热侧波高与壁厚差值 ， m；Re 为热侧流体雷诺数 。
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式中 ， fc为冷侧流体阻力因子；jc为冷侧流体传热因子；De为冷侧流体当量直径 ， m；Ld为换热器芯体厚度 ， m；Fh为换热器冷侧波高 ， m；δ为换热器冷侧带材壁厚 ， m；Re为冷侧流体雷诺数 。
根据传热学基本原理及公式计算换热器在不同风量下的设计换热量 ， 并得到换热器与风量相关的换热性能曲线如图11所示 。
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图11 换热器性能曲线
根据图11 换热器性能曲线拟合换热器散热量Q（kW）计算方程 ， 见式(9) 。
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式中 ， qc为风量 ， m3/s 。
3 装机试验数据分析3.1 试验平台介绍
所搭建的试验平台见图12 ， 主要包括电池安装台架、5kW 甲醇重整燃料电池单元模块、电控系统、冷却系统、电池输出负载调节系统和电池监控系统 。 电池安装台架为铝合金框架结构 ， 整体结构分为3层 ， 上层为电控系统电路板安装；中层为燃料电池重整室、燃烧室、电堆等系统安装；下层为冷却系统的安装 。
电池运行试验方法是将各模块安装好之后开机 ， 根据电池监控系统显示的温度、压力等参数通过负载调节系统对电池进行自动或手动搭载 ， 电池运行时通过电池监控系统监控各关键部位进出口的温度传感器、压力传感器采集信号 ， 数据采集时间间隔为2s 。
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