某燃料電池汽車熱平衡測試研究

王志軍 閆美如 梁榮亮 郭婷 李志國

1.中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司 天津市 300300 2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司 天津市 300300

1 前言

近年來環(huán)境污染日益加重，為減少污染，新能源車越來越普及，而氫能汽車是很好的方向。燃料電池汽車是電動汽車的一個重要分支，隨著2015 年日本豐田的燃料電池車MIRAI 開始在日本及北美市場銷售，國內(nèi)外諸多研究人員的深入研究，我國也正式由實驗室研究階段轉(zhuǎn)向產(chǎn)業(yè)化階段，其燃料電池發(fā)動機(jī)與鋰電池相比，具有低溫啟動性好、壽命長、重量輕、續(xù)駛里程長、加氫時間短、對環(huán)境無污染 等特點，大規(guī)模的氫資源，燃料電池發(fā)動機(jī)發(fā)展?jié)摿薮蟆?/p>

黨中央提出要在2035 年之前達(dá)到碳達(dá)峰、2060 年前達(dá)到碳中和的戰(zhàn)略目標(biāo)，在“雙碳”戰(zhàn)略背景下，政府對新能源汽車的發(fā)展高度重視。北京冬奧會上千輛燃料電池汽車的示范運行，會推動燃料電池汽車的銷量進(jìn)一步增長。未來10 年將是燃料電池技術(shù)成本的下降期，非常有利于燃料電池汽車的普及發(fā)展。質(zhì)子交換膜燃料電池電堆（以下簡稱電堆）是在一定溫度、濕度與壓力的條件下，將氧氣與氫氣在催化劑的作用下產(chǎn)生電能的系統(tǒng)。

2 燃料電池電堆熱管理簡介

電堆系統(tǒng)是燃料電池汽車動力系統(tǒng)的心臟，主要由空氣系統(tǒng)、氫氣系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等構(gòu)成。其中水熱管理系統(tǒng)包括水泵、電池三通閥、電加熱器、散熱器總成、去離子器等裝置構(gòu)成。

燃料電池中熱量來自4 個方面:①電池的不可逆性而產(chǎn)生的化學(xué)反應(yīng)熱;②歐姆極化而產(chǎn)生的焦耳熱;③加濕氣體帶入的熱量;④吸收環(huán)境輻射熱量。電堆內(nèi)部工作溫度對于其性能有很大影響，當(dāng)燃料電池發(fā)動機(jī)的內(nèi)部工作溫度升高時，會對電堆產(chǎn)生如下影響：①溫度升高，使H、O的擴(kuò)散系數(shù)加大，改善了電極內(nèi)氣體傳質(zhì)。②溫度升高，使催化劑 Pt 的活性提高，反應(yīng)速率加快。③溫度升高，使電化學(xué)反應(yīng)的速度加快，電子在MEA 電極內(nèi)運動加快，使質(zhì)子H+傳遞速度加快，從而減小電化學(xué)極化現(xiàn)象，可獲得較大電流。④溫度升高，使質(zhì)子交換膜內(nèi)水?dāng)U散系數(shù)增加，因此，陰極電化學(xué)反應(yīng)生成的水向陽極擴(kuò)散的速度加快，從而使質(zhì)子交換膜內(nèi)水分布均勻。⑤溫度過高，使質(zhì)子交換膜脫水、收縮甚至破裂，不僅使電池電導(dǎo)率下降，還會降低電池的使用壽命。;當(dāng)電堆內(nèi)部溫度低時，電池內(nèi)部極化現(xiàn)象增強(qiáng)，歐姆阻抗也會隨之增大，從而導(dǎo)致電池性能的下降。保持電堆內(nèi)部溫度處于適宜的溫度范圍，一般為60—90℃，是電堆熱管理系統(tǒng)的重要設(shè)計要求。

燃料電池汽車對熱管理的設(shè)計較之于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)要求更高，因為燃料電池汽車尾排氣體的溫度大約為70℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)尾排氣體的溫度，尾排只能帶走大概3%左右的熱量；另外電堆內(nèi)部溫度一般為80℃左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的溫度，因此輻射帶走的熱量也很少。電堆大部分熱量都需要通過冷卻系統(tǒng)帶走。

在進(jìn)行燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)設(shè)計時，應(yīng)考慮以下幾點：①更大的散熱器。如果一個散熱器太大而無法布置，可以分成兩個或多個散熱器。②冷凝器不應(yīng)放在散熱器前。冷凝器中的空氣被加熱到較高的溫度，會影響后面散熱器的熱交換。③風(fēng)機(jī)應(yīng)布置在散熱器后面，有利于保持氣流速度，便于帶走熱量。④應(yīng)保持足夠的距離，以避免引起熱量的聚集。

考查燃料電池汽車在高溫下的工作情況，尤其是燃料電池電堆在高溫條件下是否工作正常，是燃料電池汽車研發(fā)過程中的必要環(huán)節(jié)。通?？疾槠嚨母邷匦阅茉囼炇窃诟邷氐赜蛉缧陆卖敺蛘吆Ｄ蠉u進(jìn)行，或者在環(huán)境艙（帶轉(zhuǎn)轂環(huán)境艙或者不帶轉(zhuǎn)轂的環(huán)境艙）內(nèi)進(jìn)行。本文將通過在不帶轉(zhuǎn)轂的環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行燃料電池汽車的高溫試驗，以考查燃料電池汽車能否在高溫環(huán)境下正常工作以及電堆進(jìn)出水溫的變化情況。

3 試驗設(shè)計與測試方案

3.1 試驗樣車

本文選擇一款燃料電池公交車進(jìn)行試驗，后面簡稱為樣車。樣車參數(shù)表如表1所示。

表1 樣車基本情況表

3.2 試驗方案

本次試驗在中汽研汽車檢驗中心（天津）有限公司進(jìn)行，使用靜態(tài)環(huán)境艙進(jìn)行環(huán)境模擬，并通過Vector 軟件調(diào)節(jié)電堆功率并維持一段時間，觀察樣車及電堆是否工作正常。制定如下試驗方案。

1）試驗前調(diào)整動力電池SOC 狀態(tài)至一個較低的狀態(tài)，因為在試驗過程中，樣車靜止不動，電堆產(chǎn)生的電量會不斷輸送至動力電池，避免因為動力電池SOC 較高出現(xiàn)無法充電，從而導(dǎo)致電堆停機(jī)的情況。

2）將樣車放置在環(huán)境艙內(nèi)，將環(huán)境艙溫度調(diào)整至45℃并保持該溫度，浸車2 小時后開始試驗。

3）將電堆以36kW 的功率運行，試驗過程中空調(diào)等用電器件處于運行狀態(tài)，監(jiān)控電堆進(jìn)水口溫度、出水口溫度、電堆功率等參數(shù)，如果試驗過程中樣車及電堆系統(tǒng)出現(xiàn)故障，則將環(huán)境溫度降低至40℃，繼續(xù)進(jìn)行試驗；如果依然有故障出現(xiàn)，則降低電堆的功率繼續(xù)試驗。

4）如果試驗過程中樣車及電堆沒有出現(xiàn)故障，則將逐次提升電堆的功率，每次持續(xù)運行一段時間，檢查樣車及電堆工作是否異常，是否出現(xiàn)故障。

4 試驗結(jié)果及分析

4.1 電堆功率36kW 的運行情況

當(dāng)電堆的出水溫度與環(huán)境溫度45 ℃相差不超過1 ℃時，起動電堆并調(diào)節(jié)至36kW,并持續(xù)運行66min，在試驗過程中樣車及電堆均工作正常，無故障產(chǎn)生。

從圖1 中可以看到，在電堆起動時刻，電堆進(jìn)水溫度43℃，電堆出水溫度44℃。隨著電堆運行的持續(xù)，電堆的進(jìn)出水溫度持續(xù)升溫，在持續(xù)運行至660s 后，電堆的進(jìn)出水溫度達(dá)到相對穩(wěn)定的狀態(tài)，此時電堆的進(jìn)水溫度為69℃，電堆的出水溫度為74℃，在運行至2700s 時，電堆的進(jìn)出水溫度達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，此時電堆的進(jìn)水溫度為72℃，電堆的出水溫度為77℃，此時的溫差為5℃，并一直保持不變。

圖1 電堆功率及電堆進(jìn)出水溫度變化曲線

4.2 電堆功率46kW 的運行情況

樣車及電堆在36kW 功率下運行66 分鐘，工作正常，無故障產(chǎn)生，將電堆功率提升至46kW，并持續(xù)運行25 分鐘，期間樣車及電堆運轉(zhuǎn)正常，無故障產(chǎn)生。從圖2 中可以看到，電堆進(jìn)出水的溫度先逐漸升高，當(dāng)達(dá)到頂峰后，在緩慢下降直至維持在一個穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。在400s 時，電堆的進(jìn)出水的溫度達(dá)到最大，電堆的進(jìn)水溫度為70℃，電堆的出水溫度是77℃，此時的溫差為7 ℃。在800s 的時候，進(jìn)出水的溫度達(dá)到穩(wěn)定，電堆的進(jìn)水溫度是67℃。電堆的出水溫度是74℃，此時的溫差維持在7℃左右。

圖2 電堆功率及電堆進(jìn)出水溫度變化曲線

4.3 電堆功率58kW 的運行情況

樣車及電堆在46kW 功率下運行25 分鐘，工作正常，無故障，將電堆功率調(diào)節(jié)至58kW，并持續(xù)運行20 分鐘，期間樣車及電堆運轉(zhuǎn)正常，無故障產(chǎn)生。

從圖3 中可以看到，電堆進(jìn)出水的溫度逐漸升高，達(dá)到定點后逐漸降低，然后維持在一個穩(wěn)定的溫度范圍內(nèi)。在160s 時，電堆的進(jìn)出水溫度達(dá)到最高，電堆的進(jìn)水溫度為72℃，電堆的出水溫度為80℃，此時的溫差為8℃。在280s 時，電堆進(jìn)出水溫度達(dá)到穩(wěn)定，此時電堆的進(jìn)水溫度為70℃，電堆的出水溫度為79℃，此時的溫差為9℃，并保持不變。

圖3 電堆功率及電堆進(jìn)出水溫度變化曲線

4.4 電堆功率65kW 的運行情況

圖4 電堆功率及電堆進(jìn)出水溫度變化曲線

樣車及電堆在58kW 功率下運行20 分鐘，工作正常、無故障，將電堆功率調(diào)節(jié)至71kW，維持250s 后，考慮電堆的額定功率為60kW，提升至71kW 有些激進(jìn)，遂將電堆功率降至65kW，并維持24 分鐘，期間樣車及電堆工作正常，無故障產(chǎn)生。當(dāng)把電堆的功率提升至71kw 的過程中，電堆的進(jìn)出水溫度迅速升高，在320s時，電堆的進(jìn)出水的溫度達(dá)到最高，此時電堆的進(jìn)水溫度為73℃，電堆的出水溫度為82℃，此時的溫差為9℃，在將電堆的功率調(diào)整至65kw 時，電堆的出水溫度略有下降，降至81℃，電堆的出水溫度略有下降，降至72℃。在1200s 時，電堆的進(jìn)出水溫度維持在穩(wěn)定的水平，此時的電堆進(jìn)水溫度是73℃，出水溫度是82℃，溫差為9℃。

4.5 電堆在不同功率下達(dá)到熱平衡時的溫度

表2 是電堆在不同輸出功率情況下，電堆進(jìn)出水達(dá)到平衡時的溫度，從表中可以看到電堆進(jìn)出水的溫差均小于10℃，在電堆功率為36kW 時，進(jìn)出水的溫差為5℃。在進(jìn)行電堆冷卻系統(tǒng)設(shè)計時，要求電堆內(nèi)部各部分溫度基本一致，以保證其工作性能，為了提高電堆內(nèi)部溫度的均勻性，避免電堆內(nèi)部不同部分的溫差過高，一般要求電堆進(jìn)出水溫差不大于10℃，最好小于5℃，同時溫差也不能太小，以免出現(xiàn)冷卻能力不足的情況。

表2 電堆不同功率下的進(jìn)出水溫度

5 總結(jié)

本文選擇一款燃料電池公交車在靜態(tài)環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行45 ℃高溫試驗，不斷提升燃料電池電堆的輸出功率，燃料電池堆的輸出功率在36kW，46kW、58kW 以及65kW 情況下，樣車及燃料電池系統(tǒng)均工作正常，未發(fā)生故障。同時記錄了電堆進(jìn)出水的溫度變化情況，在進(jìn)出水溫度平衡的條件下，記錄電堆進(jìn)出水的溫差，溫差處于10℃以內(nèi)。