100 kW質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)開發(fā)

王永湛 陳 新

1.上海神力科技有限公司

2.上海方時新能源汽車租賃有限公司

0 引言

在我國，質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)作為主要動力源應(yīng)用于汽車上已有近20年歷史，它可以代替汽車傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)系統(tǒng)，具有高效率、低污染、噪音低、低溫運行等優(yōu)點[1-3]。由于技術(shù)和成本的原因，前些年國內(nèi)開發(fā)的主流燃料電池發(fā)動機(jī)功率大多為30～60 kW級。隨著燃料電池汽車商業(yè)化應(yīng)用的深入推進(jìn)，重型卡車、大型客車逐漸成為現(xiàn)階段燃料電池汽車推廣的主要車型，尤其是城際間固定路況運行的大型卡車和客車。2016年我國《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)發(fā)展路線圖》指出[4]，到2030年，大型商用車領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)燃料電池汽車大規(guī)模推廣，數(shù)量達(dá)百萬輛。由于道路情況復(fù)雜多樣、負(fù)載變化復(fù)雜，對燃料電池發(fā)動機(jī)輸出功率需求增大，目前發(fā)動機(jī)的功率需求大多在90 kW以上。因而，提升燃料電池發(fā)動機(jī)的功率，并拓寬其環(huán)境適應(yīng)性，是大功率燃料電池發(fā)動機(jī)開發(fā)的重要任務(wù)。隨著燃料電池發(fā)動機(jī)功率需求增大，發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的散熱能力也需要提高，以適應(yīng)大功率工況下運行。目前，由于百千瓦級大功率燃料電池發(fā)動機(jī)所需的電堆技術(shù)難度大，以及與之匹配的空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵、電控系統(tǒng)、DCDC等關(guān)鍵零部件尚不成熟[5]，供應(yīng)商缺乏，使大功率燃料電池發(fā)動機(jī)的研發(fā)更加困難。

對于質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，維持適宜的燃料電池工作溫度（60～80℃）非常重要。工作溫度的升高會加速陽極腔氫氧化反應(yīng)速率（Hydroxide reaction，HOR）和陰極腔氧還原反應(yīng)速率（Oxygen reduction reaction，ORR），降低極化損失和歐姆損失，提高燃料電池的輸出性能，進(jìn)而提高發(fā)動機(jī)整體效率。但溫度過高時，會使質(zhì)子交換膜脫水，膜電導(dǎo)率下降，導(dǎo)致性能下降，甚至?xí)斐赡ち鸭y與膜穿孔[6，7]。特別是對于大功率燃料電池發(fā)動機(jī)，電堆在高電流密度下工作時，產(chǎn)生的熱量更多，若熱量不能及時排出，極易在質(zhì)子交換膜形成局部“熱點”，使電堆輸出性能急劇下降，這要求散熱系統(tǒng)具有良好的散熱能力。同時，燃料電池發(fā)動機(jī)在大功率工作時，輔助系統(tǒng)零部件的功率也很大，也需要及時散熱來保證零部件在合適的溫度范圍內(nèi)穩(wěn)定工作。因此，對于大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計工作尤為重要。

本文針對2020年冬奧會期間，北京-張家口區(qū)域運行燃料電池客車需求，開發(fā)百千瓦級大功率燃料電池發(fā)動機(jī)，分析其內(nèi)部主動散熱系統(tǒng)和輔助散熱系統(tǒng)的熱傳遞過程，本項目采用的神力科技電堆，主散熱需求達(dá)到154.4 kW，輔助散熱需求達(dá)到30 kW；針對散熱需求較大的主動散熱系統(tǒng)，進(jìn)行了系統(tǒng)設(shè)計開發(fā)與零部件選型匹配，并進(jìn)行了實驗測試，驗證了選型零部件的可靠性。

1 燃料電池發(fā)動機(jī)的散熱需求分析

燃料電池發(fā)動機(jī)是以燃料電池堆為核心，配置相應(yīng)的輔助設(shè)備，形成燃料電池系統(tǒng)，將其用作車輛動力源，即：燃料電池發(fā)動機(jī)。圖1為豐田Mirai燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)圖[8]。燃料電池發(fā)動機(jī)的效率高于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，它仍然會產(chǎn)生大量的廢熱，為保障運行，需研發(fā)滿足運行溫度要求的熱管理系統(tǒng)。燃料電池發(fā)動機(jī)的熱源主要由兩部分組成，其中大部分熱量是電堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量，剩余的是輔助零部件的功耗產(chǎn)熱。因此，燃料電池發(fā)動機(jī)的散熱系統(tǒng)開發(fā)也分為主散熱系統(tǒng)開發(fā)和輔助散熱系統(tǒng)開發(fā)兩部分。

1.1 主散熱系統(tǒng)熱分析

質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）在實際應(yīng)用中，氫燃料化學(xué)能的40%～60%轉(zhuǎn)換成電能供給汽車[9]，其余的能量大部分轉(zhuǎn)化為熱能，這部分能量必須通過散熱器等部件傳遞到環(huán)境中，以保證燃料電池的正常工作。然而，燃料電池的工作溫度一般在60～80 ℃[10，11]，與外界環(huán)境溫差較小，夏季時，散熱器進(jìn)風(fēng)溫度可能達(dá)到40℃甚至更高，此時換熱溫差僅有20～40℃，與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)換熱溫差相比小很多，PEMFC的散熱更加困難[12]，分析電堆散熱需求是做好燃料電池發(fā)動機(jī)散熱系統(tǒng)開發(fā)的首要任務(wù)。

圖1 豐田Mirai燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)圖[8]

燃料電池工作過程中熱量的主要來源有歐姆電阻的產(chǎn)熱、反應(yīng)的熵?zé)?、不可逆的電化學(xué)反應(yīng)熱、水蒸氣冷凝放熱、壓縮空氣帶入的熱量和環(huán)境輻射熱量，后兩項可忽略不計[13]。其中，歐姆極化產(chǎn)生的焦耳熱和電化學(xué)反應(yīng)熱是燃料電池主要產(chǎn)熱來源，可利用公式(1)計算電堆產(chǎn)熱。

式（1）中，n表示燃料電池堆單電池片數(shù)；OCV表示開路電壓，本文取1.2 V；I表示流經(jīng)電堆的電流，A ；表示單片電壓，V，可通過電池極化曲線獲得。

本文采用上海神力科技的100 kW級燃料電池堆開發(fā)發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，電堆參數(shù)見表1。圖2為不同電流下，電堆的理論產(chǎn)熱，其中BOL（Beginning of Life）指電堆壽命初期，未發(fā)生衰減下的理論產(chǎn)熱，EOL（Ending of life）指電堆電壓衰減20%的理論產(chǎn)熱。假設(shè)單電池額定電壓為0.65 V，額定電流為435 A，則額定工況下電堆BOL理論產(chǎn)熱為107.6 kW，電堆EOL理論產(chǎn)熱為129.2 kW。由圖2可見，在電堆生命周期內(nèi)，電堆最大產(chǎn)熱將達(dá)到154.4 kW，即主散熱器需按照154.4 kW進(jìn)行設(shè)計。

表1 上海神力大功率電堆參數(shù)表

圖2 電堆壽命初期（BOL）和壽命衰減20%（EOL）理論產(chǎn)熱

1.2 輔助散熱系統(tǒng)熱分析

為滿足燃料電池堆額定工況的空氣、氫氣和冷卻水的供應(yīng)，發(fā)動機(jī)需要借助空壓機(jī)、氫氣循環(huán)泵和水泵等旋轉(zhuǎn)機(jī)械，將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能，此過程同樣伴隨著熱量的產(chǎn)生。同時，控制器、DC/DC轉(zhuǎn)換器等電氣部件工作中也會產(chǎn)生一部分熱量，這些都需要散熱系統(tǒng)來維持其熱平衡。對于這些輔助部件的散熱系統(tǒng)，一般與整車的電機(jī)及控制器散熱系統(tǒng)整合在一起，這需要提供各個輔件的散熱需求，包括需求冷卻水的流量、零部件的水阻曲線、零部件的額定或最大發(fā)熱功率、最高冷卻水進(jìn)水溫度、零部件的耐溫耐壓值、是否具有超溫保護(hù)等參數(shù)提供至整車，參與整車的輔件散熱，需要整車匹配輔助水泵和輔助散熱器進(jìn)行燃料電池發(fā)動機(jī)輔件的散熱。燃料電池發(fā)動機(jī)主要輔助部件的散熱需求見表2，額定工況下，輔助部件的總散熱功率為21 kW，最大工況為30 kW。

2 主散熱系統(tǒng)的開發(fā)設(shè)計

圖3為燃料電池發(fā)動機(jī)主散熱系統(tǒng)原理圖，主要由電堆作為熱源部件，水泵帶動冷卻液流經(jīng)電堆與換熱器，換熱器與環(huán)境空氣通過風(fēng)扇進(jìn)行強(qiáng)制對流換熱，實現(xiàn)了熱源部件熱量向環(huán)境的轉(zhuǎn)移，維持電堆內(nèi)部的熱平衡。散熱系統(tǒng)的換熱效率主要由空氣和冷卻液的流動狀態(tài)共同決定。此外，散熱系統(tǒng)采取了傳統(tǒng)汽車空調(diào)系統(tǒng)中的大循環(huán)/小循環(huán)切換模式。利用蠟式節(jié)溫器和PTC加熱器，滿足發(fā)動機(jī)冷啟動時的電堆溫度需求。由于燃料電池對流經(jīng)電堆內(nèi)部工質(zhì)的電導(dǎo)率有著極高的要求，散熱系統(tǒng)增加旁路，定期用補水箱內(nèi)冷卻液流經(jīng)去離子罐，控制冷卻液的電導(dǎo)率。燃料電池主散熱系統(tǒng)原理見圖3。

表2 燃料電池發(fā)動機(jī)輔助零部件散熱需求

圖3 燃料電池主散熱系統(tǒng)原理圖

2.1 主散熱系統(tǒng)參數(shù)設(shè)計

燃料電池主散熱系統(tǒng)的冷卻液通?？蛇x用去離子水或者體積分?jǐn)?shù)50%的乙二醇水溶液，本文選用去離子水作為主散熱系統(tǒng)的冷卻液。

燃料電池堆效率可由公式（2）計算，

圖4 極化曲線

圖5 不同工況下的電堆產(chǎn)熱與冷卻液參數(shù)

散熱系統(tǒng)的流動損失主要有散熱器、節(jié)溫器、電堆等部件的水阻以及管路的壓頭損失。散熱器、節(jié)溫器、電堆的水阻可由供應(yīng)商提供或者實驗測試獲得。管路的壓頭損失主要包括沿程壓頭損失和局部壓頭損失，可由公式（4）和公式（5）計算[14]。

散熱系統(tǒng)管路通常選用硅膠管，按照額定流量211 L/min下冷卻液流速設(shè)計要求，選取內(nèi)徑50.8 mm的冷卻水管，額定流量下流速為1.8 m/s，最大流速為2.05 m/s。表3為不同工況下主散熱系統(tǒng)阻力設(shè)計計算表。

2.2 零部件匹配計算與選型

1）水泵

根據(jù)電堆冷卻液的壓力、流量的需求值和冷卻腔耐壓值進(jìn)行水路零部件的選型。為了滿足燃料電池發(fā)動機(jī)額定工況進(jìn)堆冷卻水溫度≤75℃，冷卻水流量需求211 L/min，全工況流量需求0～252 L/min，工作壓力≤80 kPa(g)，進(jìn)行水泵的選型，選型參數(shù)如下：

適用介質(zhì)：去離子水或FC專用防凍液；

適用環(huán)境溫度：-30～85℃；

通訊方式：CAN（波特率250 kbps）；

防護(hù)等級：IP67；

壽命：＞10 000 h。

該款新源動力水泵ECP601B最高轉(zhuǎn)速4 500 rpm ，250～420 VDC供電，電機(jī)額定功率1.5 kW，防護(hù)等級IP67，可滿足本案例百千瓦級燃料電池發(fā)動機(jī)需求。圖6為ECP601B水泵的揚程-流量及效率-流量關(guān)系圖。

圖6 ECP601B水泵揚程-流量&效率-流量圖

圖7 為不同工況下水泵在揚程-流量圖中的狀態(tài)。額定工況下流量需求為211 L min-1，4 500 rpm轉(zhuǎn)速下水泵出口揚程為15 m，最大工況流量為252 L min-1，4 500 rpm轉(zhuǎn)速下水泵出口揚程為13 m，最大工況時揚程偏小。除最大工況外，該水泵基本滿足主散熱系統(tǒng)管路阻力需求。

表3 主散熱系統(tǒng)阻力設(shè)計計算表

圖7 ECP601B水泵揚程-流量&工況點匹配散熱器

2）散熱器

根據(jù)前文主散熱系統(tǒng)熱分析，燃料電池發(fā)動機(jī)全生命周期內(nèi)電堆最大產(chǎn)熱為154.4 kW，散熱器選型應(yīng)大于該熱量值，同時需要考慮散熱器的包絡(luò)空間來匹配電子風(fēng)扇的選型。表4為散熱器設(shè)計參數(shù)。

表4 散熱器設(shè)計參數(shù)表

根據(jù)散熱器設(shè)計參數(shù)，選擇天津某廠生產(chǎn)的散熱器，幾何尺寸為682 mm×1 039.6 mm×52 mm，散熱器參數(shù)見表5。在環(huán)境溫度40℃下對散熱器進(jìn)行額定工況（211 L min-1）和最大工況（252 L min-1）下的風(fēng)動實驗測試，測試數(shù)據(jù)見表6，在額定工況和最大工況下，換熱器換熱量均滿足設(shè)計要求。

表5 天津某廠家散熱器規(guī)格參數(shù)表

主散熱系統(tǒng)中的冷卻介質(zhì)（去離子水）的電導(dǎo)率隨著時間的積累會逐漸升高，當(dāng)高于一定值時，電堆輸出端正負(fù)極間的絕緣值會下降，有高壓電絕緣失效的潛在危險，考慮冷卻水循環(huán)管路阻力，需要在循環(huán)支路上并聯(lián)去離子純化單元（去離子罐），保證冷卻水電導(dǎo)率長時間保持在安全值以內(nèi)。此外，對于布置在車頭的散熱器，為了提高迎風(fēng)速度，應(yīng)該將風(fēng)扇設(shè)計為吸風(fēng)式散熱器，如果風(fēng)扇是吹風(fēng)設(shè)計，車外環(huán)境，風(fēng)扇與芯體的進(jìn)風(fēng)結(jié)構(gòu)將影響進(jìn)風(fēng)的風(fēng)速，進(jìn)而影響空氣側(cè)的換熱能力[15]。

3）PTC加熱器

當(dāng)環(huán)境溫度較低時，燃料電池發(fā)動機(jī)啟動需要主散熱系統(tǒng)對電堆進(jìn)行預(yù)加熱，故主散熱系統(tǒng)中需要并聯(lián)一路小循環(huán)（圖3所示），小循環(huán)中利用加熱器加熱冷卻水。加熱器通常選擇效率較高的PTC電加熱器，加熱功率由電堆冷啟動需要的加熱時間決定。綜合考慮循環(huán)管路總水容積，水的溫升速率，加熱器電熱轉(zhuǎn)換效率進(jìn)行PTC加熱器設(shè)計選型，設(shè)計要求參數(shù)如下：

表6 天津某廠家散熱器實驗測試數(shù)據(jù)

冷啟動初始溫度：-30℃；

冷啟動終端溫度：-20℃；

冷啟動時間：＜330 s，電堆-20℃自啟時間120 s；

小循環(huán)水容積：電堆5 L，管路5 L，總計約10 L；

根據(jù)參數(shù)要求，選擇某廠家PTC加熱器，額定加熱功率8 kW，額定電壓600 V，CAN通訊波特率250 kbps。所選加熱器測試數(shù)據(jù)見表7。加熱器的功率隨著進(jìn)水溫度的增加而降低，隨著流量的增加而增加，溫度為0℃的進(jìn)水，流量在20 L/min時PTC加熱器測試數(shù)據(jù)在8 kW左右。

表7 PTC加熱器測試數(shù)據(jù)

4）節(jié)溫器

根據(jù)溫度范圍對應(yīng)的節(jié)溫器開度和最大流量，選取節(jié)溫器通徑尺寸。開度控制的響應(yīng)時間滿足＜0.5 s；阻力＜25 kPa(g)（大循環(huán)流量），選取大循環(huán)外徑38 mm，小循環(huán)外徑25 mm。

5）膨脹水箱

選擇水箱容積13 L，泄壓100 kPa(g)，液位傳感器選擇通斷式進(jìn)行補水操作?？紤]傳感器的使用壽命，選擇無水接通，有水?dāng)嚅_的控制方式。壓力蓋的開啟壓力設(shè)計為100±5 kPa(g)。

去離子罐

選用高性能離子交換樹脂材料，流阻小，耐高溫（最高93℃）。

溫度傳感器

選用熱敏電阻溫度傳感器，主要進(jìn)行電堆進(jìn)水、出水溫度檢測，可集成于電池PACK上，量程-40～150℃，精度偏差±1.25℃。

3 結(jié)論

目前燃料電池發(fā)動機(jī)向高功率、寬溫域適用性的方向發(fā)展，本文針對神力科技公司擬開發(fā)的百千瓦級大功率燃料電池發(fā)動機(jī)，進(jìn)行了其散熱系統(tǒng)的開發(fā)研究，開發(fā)的燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)在額定工況凈輸出可以達(dá)到104 kW，滿足-40℃低溫存儲和-30℃低溫冷啟動的要求。

質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)與傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)相比，具有散熱工況更為苛刻，散熱需求更大的特點，因此對散熱系統(tǒng)的要求也更為復(fù)雜。本文通過對燃料電池發(fā)動機(jī)主散熱系統(tǒng)和輔助散熱系統(tǒng)的散熱需求分析，開發(fā)設(shè)計了主散熱系統(tǒng)，并進(jìn)行了主散熱系統(tǒng)的重要零部件，如水泵、散熱器、PTC加熱器、水箱等選型與測試，所涉及的散熱系統(tǒng)基本滿足百千瓦級大功率燃料電池發(fā)動機(jī)的主散熱需求。

此次散熱系統(tǒng)的開發(fā)為今后大功率質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)產(chǎn)品化打下堅實的基礎(chǔ)，也為大功率質(zhì)子交換膜燃料電池應(yīng)用于船舶、航空航天、固定式發(fā)電裝置（燃料電池發(fā)電站）等更大功率需求領(lǐng)域提供開發(fā)經(jīng)驗。