機車用350 kW燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計

薛龍昌，劉佰博，賈紅洋

（1.中車工業(yè)研究院有限公司，北京 100071；2.中車大連機車研究所有限公司，遼寧大連 116021）

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是近年來能源動力領(lǐng)域取得重大突破與發(fā)展的重要技術(shù)，特別是在交通領(lǐng)域，氫能源汽車及軌道交通車輛成為備受市場關(guān)注的革新性產(chǎn)品［1－2］。在軌道交通領(lǐng)域，燃料電池列車由于其清潔環(huán)保、不需要單獨架設(shè)電網(wǎng)、熱效率高等優(yōu)勢受到了各國的青睞，目前日本、美國、法國、德國、英國等國家紛紛推出了其以氫能為動力的燃料電池列車［3－4］，中國中車集團也相繼開發(fā)了氫燃料電池混合動力的有軌電車、機車［5－6］。質(zhì)子交換膜燃料電池在機車等大功率場景的運用中，廢氣帶走熱量較小，大量的熱量需要通過冷卻系統(tǒng)帶出，此外在較低環(huán)境溫度和冷啟動的時候，為維持適宜的反應(yīng)溫度需要通過加熱設(shè)施對系統(tǒng)進行加熱，因此相應(yīng)熱管理系統(tǒng)是影響其性能的關(guān)鍵系統(tǒng)，也是技術(shù)開發(fā)的難點。

針對燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)，國內(nèi)外已取得了一定的相關(guān)成果。其中汽車領(lǐng)域，對燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進行了大量的仿真與試驗研究，成較為成熟的研究成果［7－9］。軌道交通領(lǐng)域，Hsiao等和Zinger等［10－11］以城市和特殊用途鐵路的燃料機車為對象，分析了燃料電池系統(tǒng)相關(guān)特性。郭愛等［12］對150 kW 燃料電池機車進行熱管理系統(tǒng)建模及仿真分析。付穩(wěn)超［13］則開展了關(guān)于適用于城軌列車的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的設(shè)計和研究工作。上述研究尚未進行針對200 kW等級以上機車用燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)進行研究與設(shè)計工作，本文通過設(shè)計研究提出了一種適用于機車用350 kW 燃料電池的熱管理系統(tǒng)，解決了系統(tǒng)匹配、控制策略等相關(guān)問題。

1 熱管理系統(tǒng)組成及其工作原理

PEMFC燃料電池系統(tǒng)是氫氣和氧氣在質(zhì)子交換膜的界面通過催化劑作用發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水，在產(chǎn)生電能的同時釋放大量熱。如圖1 所示，350 kW燃料電池系統(tǒng)由2 個獨立的模塊組成，每個模塊包含2 套獨立的燃料電池發(fā)電子系統(tǒng)和一套共用的熱管理子系統(tǒng)。單套發(fā)電子系統(tǒng)包含了燃料電池電堆、燃料電池控制單元（FCU）、空氣供應(yīng)單元、低壓供氫單元、DC／DC電力變換單元等。系統(tǒng)工作時由空氣供應(yīng)系統(tǒng)和低壓供氫系統(tǒng)提供反應(yīng)所需要的氣體，兩種氣體同時進入電堆發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生的電能經(jīng)過DC／DC電力變換裝置給車輛提供電能，生成物水由廢氣帶出并排向車外，其中產(chǎn)生的熱量則由熱管理子系統(tǒng)中的冷卻系統(tǒng)帶出。本系統(tǒng)中的發(fā)電子系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計，可通用于機車、城軌等多種軌道交通平臺。而DC／DC電力變換裝置與熱管理子系統(tǒng)則根據(jù)機車車輛空間尺寸、動力性能、運用環(huán)境進行特殊定制化設(shè)計。

圖1 350 kW燃料電池系統(tǒng)構(gòu)成及其主要參數(shù)

本套熱管理系統(tǒng)是根據(jù)機車一般運用環(huán)境而定制開發(fā)的，采用塔式結(jié)構(gòu)，冷卻空氣在兩個風(fēng)機帶動下從車體頂部側(cè)面進入，經(jīng)熱交換后從車架底部排出。其功能主要是保證燃料電池堆及其他主要耗能部件在較為適宜的溫度工作，該系統(tǒng)冷卻對象包括4 個電堆、4 個中冷器、4 個空壓機及其控制器、4 個非隔離升壓DC／DC、1 個隔離升壓DC／DC，冷卻系統(tǒng)通過強制通風(fēng)冷卻方式，為燃料電池系統(tǒng)單套模塊提供溫度、壓力適宜的冷卻液，保證燃料電池系統(tǒng)的正常運轉(zhuǎn)。因此系統(tǒng)主要組成部件為冷卻風(fēng)機、電堆冷卻器（FE 冷卻）、電力電子設(shè)備冷卻器（PE冷卻）、PE冷卻水箱、FE 冷卻水箱以及內(nèi)置在發(fā)電模塊內(nèi)的中冷器和PTC加熱模組等以及與之配套的泵、閥門、管路、傳感器等。冷卻塔結(jié)構(gòu)如圖2 所示。

圖2 冷卻塔結(jié)構(gòu)

2 主要參數(shù)分析與計算

該熱管理系統(tǒng)包含冷卻和加熱兩種模式。由于本套350 kW系統(tǒng)是由兩套相同的175 kW模塊組成，因此以單個模塊的熱管理系統(tǒng)來進行分析與計算。

根據(jù)機車的運用環(huán)境設(shè)定，熱管理系統(tǒng)工作環(huán)境為－30～40 ℃，海拔高度按照為700 m和1 500 m兩種條件計算。因此在冷卻工況下需考慮40 ℃進氣溫度時該海拔下系統(tǒng)冷卻需求，同時考慮低溫冷啟動需求，冷卻液選擇防凍冷卻液（50%水＋50%乙二醇），其密度按照1.07 kg／L計算，比熱按照3.2 kJ／（kg·K）計算。具體結(jié)果如表1 所示。

表1 換熱需求與設(shè)計分析表

由表1 的結(jié)果可得到各部分性能如下。

（1）電堆冷卻性能：在700 m 海拔，散熱器15%堵塞，環(huán)境溫度40 ℃工況下，冷卻系統(tǒng)散熱器進水溫度77 ℃時，電堆進水溫度69.9 ℃，散熱量為251.1 kW，滿足大于或等于246 kW的設(shè)計要求。

（2）電力電子冷卻性能：在700 m 海拔，散熱器15%堵塞，環(huán)境溫度40 ℃工況下，冷卻系統(tǒng)散熱器進水溫度62 ℃（滿足小于或等于62 ℃設(shè)計要求）時，電力電子器件進水溫度54.9 ℃，散熱量為57.7 kW，滿足大于或等于55 kW的設(shè)計要求；在1 500 m 海拔，散熱器15%堵塞，環(huán)境溫度35 ℃工況下，冷卻系統(tǒng)散熱器進水溫度62 ℃（滿足小于或等于62 ℃設(shè)計要求）時，電力電子器件進水溫度53.8 ℃，散熱量為66.9 kW，滿足大于或等于55 kW的設(shè)計要求。

（3）中冷器冷卻性能：中冷器進水溫度55 ℃（滿足小于或等于65 ℃設(shè)計要求）時，中冷器出氣溫度70.8 ℃，散熱量為14.1 kW，滿足大于或等于13 kW的設(shè)計要求。

（4）PTC加熱模組性能：PTC模塊進水溫度－15 ℃（滿足小于或等于－10 ℃設(shè)計要求）時，PTC 出水溫度15.2 ℃，加熱量為20 kW，滿足大于或等于19.8 kW的設(shè)計要求。

3 運行模式與控制策略

3.1 冷卻模式

3.1.1 電堆冷卻循環(huán)

電堆是燃料電池系統(tǒng)工作的核心，其工作時對于溫度、壓力、冷卻水導(dǎo)電性能都有較高的要求。電堆的適宜工作溫度為70～80 ℃，因此在對其進行冷卻時同時還要控制冷卻液溫度不能過低。在本模塊中兩個電堆處于并聯(lián)配置，即冷卻液從主管路經(jīng)顆粒過濾器分成兩路分別進入電堆1 和電堆2，并經(jīng)由電堆內(nèi)部冷卻通道將電堆反應(yīng)生成的熱量帶走。兩個電堆流出的高溫冷卻液匯合后經(jīng)由水泵帶動，通過水管路被泵送到電堆冷卻器芯體液體側(cè)。由于散熱量較大，電堆冷卻器由兩個軸流變頻風(fēng)機（1 和2）共同進行冷卻，冷卻塔上方吸入的冷空氣與冷卻器中的高溫冷卻液進行熱量交換，將熱量帶走排出車外，低溫冷卻液則進入主回路完成一次循環(huán)。

在電堆進出口冷卻液溫度的控制上，主要通過調(diào)整風(fēng)機1和風(fēng)機2 的轉(zhuǎn)速能來控制冷卻器進出口的冷卻液溫度在要求范圍內(nèi)。此外電堆不同負(fù)荷的情況也需要通過主回路的變頻水泵改變冷卻液的流量來滿足其不同的散熱需求；在離子濃度的控制上，如果主入口位置上的離子濃度傳感器顯示濃度過高，則系統(tǒng)主回路關(guān)閉，冷卻水進入支路循環(huán)，經(jīng)過離子過濾器將離子濃度降低到符合要求后再開啟主回路；壓力則是通過主入口的壓力傳感器感知并與泵的控制相協(xié)調(diào)，保證入堆冷卻液的壓力在合適范圍內(nèi)。系統(tǒng)工作原理如圖3 所示。

圖3 工作原理

3.1.2 電力電子冷卻循環(huán)

該循環(huán)包含了除電堆之外其他部件的冷卻需求，因此部件構(gòu)成多、回路復(fù)雜、控制難度是其設(shè)計難點。但是上述設(shè)備除中冷器外最高散熱溫度相近，最低散熱溫度沒有明顯要求，因此可以一方面將中冷器加裝單獨的閥門來做分隔，另一方面以流量和散熱功率等級為基準(zhǔn)對上述冷卻對象進行子回路分配。這樣以并聯(lián)為主適當(dāng)考慮串聯(lián)的回路結(jié)構(gòu)，能夠使得各支路的冷卻液流量與散熱功率得到均勻分配，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)也得到進一步簡化。

電力電子冷卻循環(huán)中低溫冷卻液從主管路出來后分成5 個并聯(lián)的回路，其中每個電堆的中冷器各占1 個回路、控制器與空壓機串聯(lián)組合各占1個回路；DC／DC回路又分成2 個分路，其中1路串聯(lián)了2個堆的一級DC／DC，另一個回路負(fù)擔(dān)了4堆共用DC／DC的一半冷卻負(fù)荷。5 個回路冷卻液與被冷卻設(shè)備換熱后，帶走熱量變成高溫冷卻液匯集在主管路由PE 水泵送到PE 冷卻器進行冷卻。PE冷卻器與電堆冷卻器共用同冷卻風(fēng)機2。整個循環(huán)由于沒有最低冷卻溫度限制，因此冷卻液溫度以有最大冷卻需求的冷卻部件為主進行調(diào)控。具體系統(tǒng)工作原理如圖3所示。

3.2 冷啟動狀態(tài)加熱模式

低溫冷啟動性能指標(biāo)是考核燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性的重要指標(biāo)。在0 ℃以下的環(huán)境溫度中，除了系統(tǒng)部件的防凍性能要求高、空氣熱物理性能變化大等影響外，最關(guān)鍵的是電堆反應(yīng)的影響。在該環(huán)境下，因為冷卻液和空氣溫度過低，燃料電池反應(yīng)生成的水容易凍結(jié)在質(zhì)子交換膜表面，造成反極、停堆等重要影響。于此同時，電堆尚未到達適宜的工作溫度，在這樣非常規(guī)狀態(tài)下工作對其長期性能和壽命的影響也十分嚴(yán)重。因此，本系統(tǒng)冷啟動模式的設(shè)計既要考慮中系統(tǒng)中各部部件的工作策略與模式，同時也要兼容電堆在該狀況下的性能與發(fā)熱條件，保證時間和溫度的最優(yōu)控制。

環(huán)境溫度低于0 ℃，燃料電池系統(tǒng)處于停機狀態(tài)時，F(xiàn)E電動三通閥關(guān)閉外部散熱器回路，開啟PTC加熱回路，F(xiàn)E水泵低頻率運行、PTC加熱器低功率運行，根據(jù)進入電堆的水溫度調(diào)整PTC的加熱功率；當(dāng)電堆1 和電堆2 出水溫度高于一定閥值（5～10 ℃）時，F(xiàn)E電動三通閥按照一定比例開通，冷卻液分別存在與加熱回路循環(huán)與外部循環(huán)，此時水泵低頻運行，風(fēng)機不開啟；當(dāng)電堆1 和電堆2 出水溫度高于一定閾值時（65～70 ℃）時，關(guān)閉FE電動三通閥，冷卻液進入外部冷卻循環(huán)，F(xiàn)E 水泵低頻率運行，風(fēng)機1 低頻率運行，根據(jù)環(huán)境溫度、燃料電池發(fā)電功率、進水溫度來調(diào)整風(fēng)機1 頻率，根據(jù)進出電堆1、電堆2的較大水溫差調(diào)整FE水泵的頻率；當(dāng)進入PE回路的水溫高于一定閥值時，PE 水泵工作，風(fēng)機2 低頻率工作，根據(jù)進入PE回路的水溫大小和進出PE回路的溫差來調(diào)整風(fēng)機2 的頻率；風(fēng)機2 的頻率取步驟2 和步驟3 中的較大值。

4 結(jié)束語

本套系統(tǒng)由于整體功率較大、機車運用環(huán)境溫度變化高、整體熱管理要求較高，因此在性能分析、結(jié)構(gòu)設(shè)計、控制策略等方面形成了如下特點。

（1）大功率低溫差換熱。該熱管理系統(tǒng)總體散熱功率為295 kW，是目前散熱功率最大的燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)之一，即便在機車領(lǐng)域?qū)?yīng)同等功率的內(nèi)燃機，在散熱器選型、風(fēng)機匹配等方面也需要進行特殊考慮。除此之外，燃料電池堆的溫控特性要求換熱溫差較低，使得電堆冷卻液流量較大，因此系統(tǒng)設(shè)計中FE水泵選型、系統(tǒng)阻力匹配等過程進行了較多的優(yōu)化與分析。

（2）高集成度模塊化設(shè)計。大功率、多冷卻對象等特點對系統(tǒng)集成設(shè)計要求較高。本系統(tǒng)打破單堆或者單個系統(tǒng)匹配一套熱管理系統(tǒng)的常規(guī)模式，充分利用機車的高度空間，將兩個電堆的熱管理需求通過一套系統(tǒng)滿足，大量減少了泵、閥門、風(fēng)機、管路等配件的數(shù)量，提高了集成度與可靠性。而整體尺寸又兼顧各種不同的軌道交通車輛平臺，采用了通用性較高的模塊化設(shè)計。

（3）實現(xiàn)低溫冷啟動。零度以下低溫冷啟動是燃料電池系統(tǒng)的重要特性，也是對熱管理系統(tǒng)的重要挑戰(zhàn)。特別是本系統(tǒng)功率較大、冷卻液存量大，因此冷啟動策略設(shè)計時需要考慮電堆的特性匹配、PTC加熱功率配置、大小循環(huán)開度調(diào)節(jié)、管路保溫等諸多影響因素，最終實現(xiàn)低溫調(diào)節(jié)下的合理啟動。