有軌電車用燃料電池系統(tǒng)效率研究

孫應(yīng)東， 郭 愛， 劉 楠， 石俊杰， 高 巖

（1.中車唐山機(jī)車車輛有限公司， 河北 唐山 064000； 2.西南交通大學(xué) 電氣工程學(xué)院， 四川 成都 611756）

0 引言

傳統(tǒng)有軌電車的架空接觸網(wǎng)不僅占據(jù)空間，還存在安全隱患[1]，將燃料電池作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)是無接觸網(wǎng)有軌電車的發(fā)展方向之一[2]。

燃料電池控制技術(shù)主要有模糊控制、 自適應(yīng)控制、魯棒控制、預(yù)測控制等[3]，[4]。為獲得燃料電池系統(tǒng)最優(yōu)凈功率和防止“過氧比”，須要對(duì)燃料電池系統(tǒng)空氣流量進(jìn)行優(yōu)化控制。 文獻(xiàn)[5]采用濾波的PID 反饋控制器調(diào)節(jié)燃料電池的過氧比，同時(shí)根據(jù)電堆電流通過模糊策略補(bǔ)償壓縮機(jī)電壓，并通過自適應(yīng)差分進(jìn)化算法優(yōu)化控制器參數(shù)。 文獻(xiàn)[6] 基于二階超螺旋算法設(shè)計(jì)了魯棒控制器燃料電池的空氣流量控制器。 文獻(xiàn)[7]設(shè)計(jì)了一種受限顯式模型預(yù)測控制器調(diào)節(jié)空氣流量， 并成功應(yīng)用在1.2 kW 的燃料電池中。 燃料電池工作時(shí)，除凈功率因素外， 系統(tǒng)效率是評(píng)價(jià)控制策略的關(guān)鍵因素。 由于燃料電池輔機(jī)模型中，散熱器、循環(huán)水泵和氫氣回流泵的模型難以精確建立[8]，[9]，因而效率研究需要借助試驗(yàn)平臺(tái)。 文獻(xiàn)[10]研究了5 kW 空冷型燃料電池的效率、凈功率與過氧比的特性。

現(xiàn)有的研究中鮮有研究大功率燃料電池系統(tǒng)效率， 本文通過搭建有軌電車用燃料電池系統(tǒng)試驗(yàn)平臺(tái)，研究燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、變載時(shí)各輔機(jī)功耗和系統(tǒng)效率特性。

1 車載燃料電池系統(tǒng)

有軌電車的燃料電池結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 燃料電池系統(tǒng)Fig.1 Fuel cell system

當(dāng)燃料電池工作時(shí)， 壓縮機(jī)將壓縮空氣送入供氣管路，經(jīng)加濕器加濕后進(jìn)入電堆陰極流場；高壓氫氣經(jīng)調(diào)節(jié)閥進(jìn)入電堆陽極流場。 為提高氫氣利用率， 回流泵將流場尾部的氫氣送入電堆流場入口。 電堆內(nèi)部氫氣與空氣中氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)生成水，產(chǎn)生電及大量的熱。冷卻水循環(huán)泵提供壓力，迫使冷卻液流過電堆內(nèi)部流場，帶走大量的熱量，然后流過散熱器使部分熱量傳遞到周圍環(huán)境，實(shí)現(xiàn)燃料電池的散熱。

燃料電池系統(tǒng)工作時(shí)，還需要如壓縮機(jī)、冷卻器、加濕器、冷凝器、氫氣回流泵、散熱器和循環(huán)泵等輔助設(shè)備，這些設(shè)備也要消耗一定的功率。為描述燃料電池發(fā)出的電功率與輔助設(shè)備消耗的電功率之間的關(guān)系， 將燃料電池系統(tǒng)的用電效率ηusd定義為

式中：Pst為電堆發(fā)出的電功率；Paux為輔助設(shè)備的功耗。

燃料電池系統(tǒng)的凈輸出功率Pnet等于電堆產(chǎn)生的功率減去輔助設(shè)備功耗，即：

燃料電池化學(xué)反應(yīng)釋放的能量可以通過反應(yīng)物和生成物的焓值計(jì)算。 電池氫氧化學(xué)反應(yīng)釋放的能量等于物質(zhì)反應(yīng)前后的焓值變化Δh（焓變），即氫氣的焓值與氧氣的焓值之和減去水的焓值。物質(zhì)的焓值受溫度、壓力影響，不同的溫度、壓力及生成物狀態(tài)， 其反應(yīng)的焓變不同。 為了便于計(jì)算，采用標(biāo)準(zhǔn)狀況下（溫度25 ℃，壓力101.3 kPa）燃料電池的焓變。 如果化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的焓變?nèi)哭D(zhuǎn)換為電能，則燃料電池的等效電勢滿足：

式中：F 為法拉第常數(shù)。

等效電勢Eeq與生成物水的狀態(tài)有關(guān)， 生成物為液態(tài)時(shí)，等效電勢為1.481 V，稱為高熱值；而生成物為氣態(tài)時(shí)，電勢為1.253 V，稱為低熱值。

燃料電池系統(tǒng)的發(fā)電效率ηprd指電堆的功率與單位時(shí)間內(nèi)消耗的化學(xué)能之比，即：

式中：Nfc為燃料電池單體個(gè)數(shù)；Ist為燃料電池電流；Vst為燃料電池電壓。

燃料電池系統(tǒng)的效率ηfc為系統(tǒng)輸出的電能與單位時(shí)間內(nèi)消耗的化學(xué)能之比，即：

由式（1）～（4）可得：

2 試驗(yàn)平臺(tái)

2.1 主電路

燃料電池的試驗(yàn)平臺(tái)如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)原理圖Fig.2 Test Schematic

圖中FCS 為燃料電池系統(tǒng)與單相DC/DC 組合的發(fā)電模塊，其凈輸出功率為100 kW，最大電流為280 A。 電阻負(fù)載的額定電壓為750 V，最大功率為330 kW。 該電阻負(fù)載具有手動(dòng)、自動(dòng)兩種工作模式。 自動(dòng)工作模式可以預(yù)先輸入期望的功率曲線，運(yùn)行時(shí)按設(shè)定的功率工作。PLC 控制器為833-TG 型控制器，PLC 通過CAN 通訊與FCS 及其單向DC/DC 建立聯(lián)系，并通過監(jiān)測FCS 狀態(tài)和電子負(fù)載狀態(tài)、母線電壓等，實(shí)時(shí)控制FCS 系統(tǒng)，滿足負(fù)載需求。

2.2 網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

本文采用基于CAN2.0B 的CANOPEN 通信協(xié)議，試驗(yàn)平臺(tái)的通信結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 通訊結(jié)構(gòu)Fig.3 Communication network

圖中CPU833-TG 的PLC 控制器通過CAN 總線與總線節(jié)點(diǎn)模塊DDC 通信；而數(shù)字量輸出模塊DOT、 模擬量輸入模塊AIT 以及數(shù)字量輸入模塊DIT， 通過與總線節(jié)點(diǎn)模塊DDC 與CPU 進(jìn)行通信；CPU 通過CAN 總線控制FCS。

2.3 燃料電池控制

PLC 通過CANOPEN 協(xié)議以及數(shù)字量輸入與輸出硬線信號(hào)控制并監(jiān)測FCS 的狀態(tài)。 FCS 的工作流程如圖4 所示。

圖4 燃料電池控制流程Fig.4 Fuel cell control process

燃料電池系統(tǒng)首先檢測硬線信號(hào)是否高電平， 然后讀取電堆的絕緣電阻是否滿足。 如若滿足，電堆接收母線電壓和需求功率的設(shè)定值，啟動(dòng)DC/DC 變換器，燃料電池處于待機(jī)狀態(tài)。 最后根據(jù)模塊使能信號(hào)MD_EN、 模塊運(yùn)行信號(hào)MD_RUN、 預(yù)警信號(hào)、 故障信號(hào)、 待機(jī)信號(hào)SD_DONE，燃料電池系統(tǒng)進(jìn)入不同工作狀態(tài)。

2.4 電阻負(fù)載控制

電阻負(fù)載的工作模式為自動(dòng)模式， 利用負(fù)載控制軟件預(yù)設(shè)有軌電車功率曲線。電阻負(fù)載有12檔信號(hào)， 分別表示各檔位的負(fù)載電阻是否切入母線。 12 檔分別為1 kW，2 個(gè)2 kW，2 個(gè)5 kW，3 個(gè)10 kW，2 個(gè)20 kW 和2 個(gè)100 kW。 12 路檔位的數(shù)字信號(hào)通過數(shù)字輸入模塊DIT 接入控制網(wǎng)絡(luò)。

3 試驗(yàn)及結(jié)果

目前對(duì)有軌電車或機(jī)車的燃料電池系統(tǒng)測試還沒有形成統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，本文參考GB/T23645《乘用車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)測試方法》，對(duì)燃料電池系統(tǒng)分別進(jìn)行啟動(dòng)特性、 穩(wěn)態(tài)特性和最大加減載試驗(yàn)，分析不同工況下的效率。在計(jì)算燃料電池的效率時(shí)，僅考慮壓縮機(jī)、回流泵、散熱器、循環(huán)水泵4種輔機(jī)損耗。 燃料電池廠家常采用等效電勢的低熱值計(jì)算效率，本文亦采用低熱值。

3.1 最小功率啟動(dòng)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)前電堆入口溫度為24.2 ℃；負(fù)載設(shè)定為0 kW； 按照啟動(dòng)操作步驟啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)；燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行10 min。

最小功率啟動(dòng)時(shí)，前60 s 各部件功率波形如圖5 所示。

圖5 最小功率啟動(dòng)Fig.5 Min-power startup

由圖5 可知，17 s 時(shí)出現(xiàn)波動(dòng)， 最大功率為9.3 kW，這是由散熱風(fēng)機(jī)的啟動(dòng)引起的。隨著電堆功率增加，壓縮機(jī)提供的空氣流量增多，其功耗隨之增加，最大達(dá)到7.0 kW。 散熱風(fēng)扇的轉(zhuǎn)速根據(jù)系統(tǒng)的設(shè)定溫度進(jìn)行調(diào)節(jié)。

由于負(fù)載設(shè)置為0 kW，為使燃料電池能夠啟動(dòng)，散熱器的功率設(shè)置較大，穩(wěn)態(tài)時(shí)為4.42 kW。循環(huán)水泵用于調(diào)節(jié)電堆出口與入口溫度差， 此時(shí)電堆功率較小，產(chǎn)生的熱量少，較小的流量即可以滿足溫差要求， 水泵的功率較小， 穩(wěn)態(tài)時(shí)為0.11 kW。 回流泵的轉(zhuǎn)速亦是根據(jù)電堆功率調(diào)節(jié)，與電堆功率呈正相關(guān)。

穩(wěn)態(tài)時(shí)各部分的功率如表1 所示。

表1 各部件功率與發(fā)電效率Table 1 Power and power generation efficiency of each component

電堆的功率為6 kW，輔機(jī)總功率為7.17 kW，電堆發(fā)出的功率不足以供輔機(jī)工作， 差額部分由24 V 啟動(dòng)輔助電源供給。 空載時(shí)，散熱器的功耗最大，占到發(fā)電量的73.67%。由于電堆電流較小，電壓較高，因而此時(shí)的發(fā)電效率較高，達(dá)到71.3%。

3.2 穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)

試驗(yàn)前電堆入口溫度為42.4 ℃，以凈功率10 kW 運(yùn)行1 min；將燃料電池系統(tǒng)功率從10 kW 按照30 kW，70 kW 逐級(jí)加載到100 kW， 然后將功率按照70 kW，30 kW 逐級(jí)減載到10 kW；加載和減載過程中的每個(gè)工況點(diǎn)運(yùn)行5 min。 穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)如圖6 所示。

圖6 穩(wěn)態(tài)特性Fig.6 Performance in stable state

由圖6 可知，當(dāng)電堆功率增大時(shí)，需要的空氣流量增多，壓縮機(jī)功耗增大，反之亦然。 壓縮機(jī)的功率與電堆功率變化趨勢一致。 在電堆功率每次跳變處，壓縮機(jī)的功率都會(huì)出現(xiàn)瞬時(shí)超調(diào)，依次為7.24 kW （335%），4.79 kW （143%），11.13 kW（157%），19.02 kW（124%），18.86 kW，9.29 kW。當(dāng)電堆功率為124.9 kW 時(shí)， 燃料電池系統(tǒng)溫度較高， 散熱器開始工作； 電堆功率下降后基本不工作；在1 672 s 處電堆功率為8.5 kW，為避免停機(jī)散熱器功率急劇上升，達(dá)到4.41 kW。 當(dāng)電堆功率增大時(shí)， 電堆發(fā)熱功率升高， 需求的氫氣流量增多，使得循環(huán)水泵功率和氫氣回流泵功率都增大，反之亦然。 循環(huán)水泵功率和氫氣回流泵功率與電堆功率變化趨勢亦一致。 回流泵啟動(dòng)時(shí)（73 s 處）有一個(gè)較大的超調(diào)， 功率為1.32 kW， 超調(diào)量為142%。

各階段穩(wěn)態(tài)時(shí)的功率和效率如表2 所示。 電堆功率增加，壓縮機(jī)、循環(huán)水泵、氫氣回流泵的功率都增加。低功率時(shí)，這3 部分分別占電堆功率的19.40%，0.99%，8.43%，用電效率和系統(tǒng)效率分別為71.3%，49.7%，這兩個(gè)效率較低。 高功率時(shí)，壓縮機(jī)、散熱器、循環(huán)水泵和氫氣回流泵分別占電堆功率的12.3%，1.10%，0.70%和1.06%， 用電效率和系統(tǒng)效率分別為85.0%，46.0%； 用電效率高而系統(tǒng)效率較低。發(fā)電效率隨電堆功率增加而減小。

表2 各部件功率與效率Table 2 Power and power generation efficiency of each component

將試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪濾波后， 得到穩(wěn)態(tài)試驗(yàn)中各效率的波形如圖7 所示。

圖7 各效率Fig.7 Each efficiency

由圖7 可知：用電效率為70%～89.5%；發(fā)電效率為53.2%～71.6%；燃料電池系統(tǒng)效率為45%～61.5%。

3.3 最大加減載試驗(yàn)

試驗(yàn)前電堆入口溫度為59.3 ℃，以10 kW 運(yùn)行1 min； 按照啟動(dòng)操作步驟啟動(dòng)燃料電池系統(tǒng)，每秒加載10 kW，10 s 加載到100 kW，運(yùn)行3 min后5 s 內(nèi)減載到10 kW，再運(yùn)行1 min；共進(jìn)行3 次加減載循環(huán)。

最大加減載試驗(yàn)時(shí)， 電堆功率和各個(gè)效率波形如圖8 所示。

圖8 穩(wěn)態(tài)特性Fig.8 Performance in stable state

由圖8 可知，電堆的功率在11.5～125 kW 切換。用電效率在440 s 時(shí)為42.2%，效率最低，這是由于此時(shí)散熱器功率較大引起的。 燃料電池在低功率時(shí)持續(xù)約60 s， 較短的時(shí)間內(nèi)散熱器和循環(huán)水泵的功率沒有達(dá)到穩(wěn)態(tài)， 因而在此區(qū)間用電效率不能達(dá)到穩(wěn)態(tài)。 發(fā)電效率在[52.9%，85.2%]內(nèi)變化，發(fā)電效率由電堆的電壓決定，過渡時(shí)間短。 系統(tǒng)效率在300 s 以后的燃料電池低功率區(qū)間變化劇烈，最小為28.8%，最大為68.5%。

4 結(jié)論

本文研究了燃料電池在不同工況下的輔機(jī)功耗和效率。 通過最小功率啟動(dòng)、穩(wěn)態(tài)、最大加減載3 個(gè)試驗(yàn)，得到如下結(jié)論。 ①在最小功率啟動(dòng)中，燃料電池的功率不足以維持輔機(jī)工作， 需要外部電源提供差額功率。由于電堆輸出電流小，電堆電壓最高，使得系統(tǒng)發(fā)電效率最高。 ②壓縮機(jī)、循環(huán)水泵和氫氣回流泵的功率變化趨勢與燃料電池功率一致。 由于機(jī)械慣性， 壓縮機(jī)在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)230%的功率超調(diào)； 在電堆功率上升的其它跳變處出現(xiàn)約40%超調(diào)。 回流泵僅在啟動(dòng)時(shí)出現(xiàn)42%的超調(diào)。 ③在額定功率時(shí)，壓縮機(jī)、散熱器、循環(huán)水泵和氫氣回流泵的功耗分別占電堆功率的12.3%，1.10%，0.70%，1.06%。 ④在散熱良好情況下，用電效率為70%～89.5%，系統(tǒng)效率為45%～61.5%。隨著電堆功率的增長，發(fā)電效率降低，而用電效率和系統(tǒng)效率存在最優(yōu)值。 ⑤在最大減載時(shí)，用電效率出現(xiàn)瞬時(shí)42.2%低效率點(diǎn)，發(fā)電效率出現(xiàn)瞬時(shí)85.2%高效率點(diǎn)；系統(tǒng)效率在28.8%～68.5%內(nèi)振蕩。