1.  研究背景

  氢气是一种极易燃烧、无色透明、无臭无味的气体，它是除核燃料外发热值最高的，是汽油发热值的3倍，燃烧后的产物是水，是公认清洁的可再生能源。中国、美国、欧盟等都制定了氢能发展规划，用于取代化石燃料，以应对气候变化、环境污染等。作为绿色能源出行战略的一部分，氢能汽车正在成为其它创新替代方案中一种具有竞争力的解决方案，相对于锂电池汽车，能够让驾驶员在加油时间和行驶里程两方面获得与传统汽车相似的性能体验。

2.  技术需求

与传统化石燃料相比，氢气的每质量热值含量非常高，但由于它的体积能量密度很低，因此，需要高压使车载油箱携带足够数量的燃料（5 kg）,以保证汽车行驶500-600公里。汽车加注氢气需要用到加氢站，在加氢站中高压压缩机和预冷系统是最关键的两个设备，而且也是耗能最大的两个设备。不同于大部分气体具有正焦耳-汤姆逊效应，节流膨胀后温度降低，具有冷却效应，氢气、氦气等少数气体在室温下具有负焦耳-汤姆逊效应，节流膨胀后温度升高。在加注氢气过程中，由于氢气被压缩和焦耳-汤姆逊效应产生热量，使氢气温度升高。为了实现快速加注（5-15分钟内）以满足驾驶员期望，同时为了确保车载油箱的热稳定性（其上限为85 ℃，以避免热失效），因此在氢气加注之前必须进行预冷，在加油开始后的30秒内将氢气预冷至-40 ℃的温度，并且在整个加注过程中保持在规定范围内。

汽车的加氢速度与氢气预冷温度、环境温度、油箱初始压力等直接相关，环境温度越高，氢气加满所需要的时间越长，反之亦然。然而，在这三个关键因素中，预冷温度对加注时间影响最为显著。由于加注时间是影响汽车驾驶体验的关键参数之一，因此预冷系统能够在极端条件下以尽可能低的成本提供所需要的加注速率和储气量。总之，氢气冷却器的尺寸和支行对氢气站的布局、性能和能源需求有很大影响，从而影响氢能经济的发展。

3.  技术难点

由于预冷器对于加氢站的重要作用以及安全等方面的考虑，加氢站对预冷器提出了极为严苛的技术要求：

Ø  耐高压。目前国际通用的两种加注压力35 MPa和70 MPa，对于运行压力为70 MPa的预冷器，其设计压力将达到近100 MPa。

Ø  耐低温。为了保证加注速度和储箱容量，预冷器需要运行在低温条件下。

Ø  高热导性能。预冷器需要有极好的换热性能，保证将加注的氢气预冷至预定温度甚至更低。

Ø  长期连续运行。在加注高峰期，每次加注之间大约有2分钟短暂休息时间，没有足够时间冷却换热器，因此，要求换热器具有很高的稳定性和安全性。

Ø  高紧凑性。为了系统安全和美观，需要将预冷器置于加注柜内，因此要求预冷器具有极高的紧凑性。另外，体积小质量轻，灵活性会更好，从而达到快速响应的要求。

Ø  氢脆现象。氢原子很容易进入金属并在晶格中移动，可以在一些晶格缺陷中重新化合为氢气分子，氢气分子的体积是氢原子的26倍，从而在材料内部产生高达100 MPa的压力，从而导致材料的缺陷和延迟裂缝，这种现象称为氢脆。氢脆易发生在焊接接头等部位。

4.  解决方案

国际上只有两种加注压力，35 MPa和70 MPa，这意味着氢冷却器的设计压力至少要达到35 MPa。传统换热器形式有很种，如板式和管式等，而能够承受极高压的仅管式换热器。根据我国热交换器的国家标准GB/T 151-2014，管壳式换热器的设计压力不能大于35 MPa。也就是说传统管壳式换热器的承压极限，才刚刚达到氢气冷却器最低配承压要求的底线。此外，随着设计压力的不断增加，壁厚不断加厚，产品外形和重量不断变大，换热效率也已有极限，而且如此巨大而笨重的冷却器无法和加氢机集成为一体，无法满足加氢站建设规划的需要。为了解决氢冷却器中存在的技术难点，郭江峰教授(邮箱：gjf1200@126.com)将其开发的新型微通道换热器作为氢冷却器。该微通道换热器制作工艺如下：用化学蚀刻的方法在金属板片上加工出微小通道，加工好的板片堆叠放好通过扩散焊接一体成形，换热芯体加工好后再增加封头、法兰等零部件，从而组成完整的换热器。该换热芯体没有焊接点，没有焊料，整体成型，保持和母材一致材料性能，因此，该微通道换热器具有如下优点：

Ø耐高温。根据母材特性耐高温可达900 ℃以上。

Ø耐低温。根据母材特性耐高温可达-200 ℃以上。

Ø耐高压。耐压性能可达100 MPa以上。

Ø高紧凑性。比表面积（换热面积与换热体积之比）可达2500 m2/m3，同等换热条件下体积是传统管式换热器的1/6以下。

Ø高效率。换热效率高达98%以上。

Ø易于模块化。可根据换热功率大小，由几十kW到千MW级灵活组装，从而满足不同工艺过程的需要。

Ø耐腐蚀性好。由于没有任何填加焊料，芯体完全为母材材料，因此，具有极高的耐腐蚀性。

为了进一步满足加氢站预冷器的技术挑战，课题组对其开发的微通道换热器进行了进一步的改进和优化：

Ø将传统钎焊封头改为集水形式。提前在换热板上加工出来集水通道，在扩散焊接的过程中一体成型，从而省去了封头钎焊部分，减小了氢脆发生的可能性。

Ø将传统进出口流体的法兰连接改为锥面螺纹连接。为了防止氢气泄漏，增加安全性，将法兰连接改为多面螺纹连接，一方面具有更高的耐压安全性能，另一方面减小了泄漏可能性。

解决了加工工艺上存在的问题后，在设计理论方法进行了如下创新：

²开发多目标多参数协同优化设计方法。传热强化往往伴随着压降的增加，因此需要在换热性能、压降、成本等多个目标之间寻求最优的设计方案。本课题组基于Pareto最优化方法开发了多目标多参数协同优化方法，使多个目标之间达到最佳的平衡。

²布置方案优化以改善两侧流体热力学匹配性。氢气和液体冷媒之间存在较大的热学差距，换热过程中造成较大的热力学损耗，通过改变两侧通道的尺寸和布置方案使两侧流体的匹配性达到最优。

²优化入口通道布局，使流量分布更为均匀。横截面上大量通道的存在使流量均匀分配较为困难，不均匀流量分布降低换热器性能。优化入口和出口集水器形式并相应地改变通道结构，从而使流量分布更为均匀。

²开发新型高效低阻换热结构。直型通道压降小换热性能差，波纹型通道换热性能好，压降大，通过多场协同原理对通道结构进行改进和优化，获得了新翼型换热结构，综合性能提升12%以上。

5.  实际案例

郭江峰教授(邮箱：gjf1200@126.com)就某科技公司35 MPa和70 MPa两台预冷器进了设计、加工，并已成功交付。其中，70 MPa预冷器最大运行温度85 ℃，设计压力99 MPa，芯体尺寸为406.6*232.6*150.4 mm³；35 MPa预冷器最高运行温度85 ℃，最大耐压50 MPa，芯体尺寸为274*116.8*63 mm³,如图3所示。打压测试满足99 MPa设计要求，氦质谱检测合格。该产品目前正在正星氢能加氢站中运行，截止目前一切运行良好。

课题组开发的加氢站预冷器