燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟特性分析

摘 要：燃料電池發(fā)動機以氫氣為動力源，靠氫氣、空氣在電堆內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電而釋放能量。燃料電池發(fā)動機雖不受卡諾循環(huán)限制，但因輔機功耗、氫氣利用率等因素，燃料電池發(fā)動機效率受工作環(huán)境、拉載工況等因素影響。本文計算不同工況下燃料電池發(fā)動機效率和氫氣排放率，通過對比燃料電池發(fā)動機在穩(wěn)態(tài)工況和動態(tài)工況下效率變化特性，為后續(xù)燃料電池發(fā)動機裝車后整車動力分配和提高經(jīng)濟性等關(guān)鍵指標(biāo)提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池發(fā)動機 效率 最優(yōu)算法 經(jīng)濟性

0 引言

燃料電池靠氫氣、空氣在電堆內(nèi)部發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)放電，因其具有零排放、效率高、噪音小等優(yōu)點，目前被認為是新能源汽車發(fā)展途徑中較為理想的動力源之一。經(jīng)濟性作為衡量燃料電池汽車性能重要指標(biāo)之一，國內(nèi)外專家對此進行相關(guān)研究。于丹等[1]基于城市示范運行，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)和實際運行對燃料電池汽車運行的經(jīng)濟特性進行分析，并對提升燃料電池汽車運行經(jīng)濟性提出了相關(guān)建議。同時，專家學(xué)者們結(jié)合不同使用場景或考量因素提出了功率跟隨、模糊控制等能量管理控制策略優(yōu)化燃料電池汽車控制邏輯，并通過仿真、試驗臺架等手段對相關(guān)算法進行了驗證[2-7]。燃料電池發(fā)動機作為燃料電池汽車動力總成重要部件，其經(jīng)濟性能對于燃料電池汽車經(jīng)濟具有重要作用。燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性特性評價，一般結(jié)合氫氣利用率和輔機功耗兩方面因素進行綜合評價。翟俊香等[8]通過試驗探究不同排氫模式下各電流下氫氣利用率和耗氫量，為提高氫氣利用率提供借鑒。孫應(yīng)東等[9]基于100kW燃料電池系統(tǒng)，針對啟動、穩(wěn)態(tài)、加載三個工況進行了輔機功耗及系統(tǒng)功率特性研究。本文針對燃料電池發(fā)動機不同工況下氫氣排放率及系統(tǒng)效率進行研究及分析，為提高燃料電池汽車經(jīng)濟性指標(biāo)提供參考依據(jù)。

1 燃料電池發(fā)動機測試臺架搭建

燃料電池發(fā)動機由空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)組成。燃料電池發(fā)動機在運行時需要外部穩(wěn)定持續(xù)氫源供氣和充足空氣保證燃料電池堆發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)輸出電功率，需要試驗環(huán)境能夠提供足量的新風(fēng)和壓力穩(wěn)定、流量滿足的氫氣供燃料電池堆發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，燃料電池堆產(chǎn)生的電能通過DC-DC升壓后釋放到電子負載，由電子負載將電量饋至電網(wǎng)。為保證燃料電池發(fā)動機正常工作，試驗室內(nèi)具有良好的散熱能力，防止空氣溫度過高引發(fā)空壓機功耗增加，同時環(huán)境溫度過高不利于燃料電池發(fā)動機散熱容易引起水溫超溫系統(tǒng)急停。同時，燃料電池發(fā)動機在運行過程中，電堆內(nèi)部循環(huán)冷卻水溫度會不斷升高，空壓機、DC-DC等在運行過程中也會不斷升溫，因此需要冷卻板換對燃料電池發(fā)動機主輔回路進行散熱保證燃料電池發(fā)動機各部件運行在合適的溫度區(qū)間內(nèi)，現(xiàn)階段為保證控制精度，主回路散熱（燃料電池堆）與輔助回路散熱（空壓機、DC-DC等）一般分為兩路進行散熱循環(huán)。燃料電池發(fā)動機正常運行需要上位機進行測試臺與燃料電池發(fā)動機之間的信息交互、發(fā)送指令、采集數(shù)據(jù)等，燃料電池發(fā)動機測試臺架搭建除上位機外需要CAN盒、功率分析儀、數(shù)采模塊、氫氣流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助設(shè)備采集數(shù)據(jù)、傳輸數(shù)據(jù)、存儲數(shù)據(jù)。燃料電池發(fā)動機中空壓機、氫泵、水泵等BOP輔件需要外接輔助高低壓電源供電，測試臺架需要另配若干套高低壓電源供輔機系統(tǒng)及散熱器工作。為保證試驗環(huán)境安全，試驗室內(nèi)有必要安裝相關(guān)氫安全監(jiān)控平臺，同時可以與測試臺進行聯(lián)動，提升燃料電池發(fā)動機試驗的安全可靠性。燃料電池發(fā)動機測試臺架架構(gòu)見圖1所示。

2 燃料電池發(fā)動機穩(wěn)態(tài)工況效率特性分析

穩(wěn)態(tài)特性試驗是衡量燃料電池發(fā)動機及其部件在不同工況點極化特性、輸出特性、經(jīng)濟特性的主要方法。穩(wěn)態(tài)特性試驗要求燃料電池發(fā)動機在其工作范圍內(nèi)選擇的工況點分別是怠速（或燃料電池發(fā)動機最低功率點）、10%PE、20%PE、 30%PE、40%PE、50%PE、60%PE、70%PE、80%PE、90%PE。在完成熱機后，回到怠速（或燃料 電池發(fā)動機最低功率點）運行10 s后按照規(guī)定加載 方式加載至預(yù)先確定的工況點（按照從低到高順序加載），在每個工況點至少運行3 min，且每個工況 點分析數(shù)據(jù)的時間長度不得少于2 min。穩(wěn)態(tài)工況能夠說明燃料電池堆、輔助系統(tǒng)與燃料電池發(fā)動機在不同功率區(qū)間內(nèi)工作特性，可得到電堆極化曲線、功率曲線、效率曲線等燃料電池發(fā)動機關(guān)鍵數(shù)據(jù)。本文以國產(chǎn)某型號80kW燃料電池發(fā)動機為例，基于GB/T 24554-2022《燃料電池發(fā)動機性能試驗方法》穩(wěn)態(tài)特性試驗測試方法進行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。燃料電池發(fā)動機試驗如圖2所示。

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性指標(biāo)

為保證燃料電池發(fā)動機平穩(wěn)輸出功率，需要BOP輔助系統(tǒng)工作，如空壓機、氫泵、水泵、PTC等輔助部件工作時會消耗部分能量。燃料電池發(fā)動機在運行時，為保證燃料電池堆高效輸出電能，燃料電池堆陽極側(cè)需要過量供給氫氣，氫氣的利用程度同樣能夠體現(xiàn)燃料電池發(fā)動機工作的經(jīng)濟性指標(biāo)。因此常用來考量燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性的指標(biāo)有系統(tǒng)效率和氫氣利用率即氫氣排放率。燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)效率計算公式見式（1）。

（1）

式中：

——燃料電池發(fā)動機效率；

——燃料電池發(fā)動機輸出功率，單位kW；

——氫氣流量，單位g/s；

——氫氣低熱值，1.2×105 kJ/kg。

燃料電池堆理論氫氣流量為：

式中：為氫氣摩爾質(zhì)量，取2.016 g/mol;

為燃料電池堆電流，單位為A；

為燃料電池堆片數(shù)；

為法拉第常數(shù)，取96485 C/mol。

則燃料電池堆排放的氫氣流量為：

式中：為燃料電池堆氫氣排放流量，單位為g/s；

為燃料電池堆氫氣實際消耗流量，單位為g/s。

燃料電池堆在該時間段內(nèi)氫氣排放率按下式計算：

式中：為氫氣排放率，單位為g/kWh;

為燃料電池堆輸出功率，單位為kW。

2.2 動態(tài)工況下燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性指標(biāo)

燃料電池發(fā)動機在實車中運行時，配合整車行駛提供功率以滿足車輛的動力需求，在考量燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性指標(biāo)時如果單純以穩(wěn)態(tài)工況進行分析時，并不能體現(xiàn)加減載、開機停機等工況下氫氣的利用程度，單純基于穩(wěn)態(tài)工況下考慮燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性指標(biāo)具有一定局限性，并不能完整反映在整車運行狀態(tài)下燃料電池發(fā)動機的各項經(jīng)濟性指標(biāo)及特性。

為分析動態(tài)工況下燃料電池發(fā)動機的經(jīng)濟性特性，本文采用基于GB/T 34593-2017《燃料電池發(fā)動機氫氣排放測試方法》中的動態(tài)運行工況進行燃料電池發(fā)動機經(jīng)濟性指標(biāo)計算。該動態(tài)工況共有36個工況點，循環(huán)工況時間累計1200s（不含加減載時間）。燃料電池發(fā)動機在熱機狀態(tài)下跟隨工況運行，其中為保持嚴(yán)謹(jǐn)性，要求在每工況點穩(wěn)定運行時間與工況表中保持一致，拉載時間不做要求。本文以某款國產(chǎn)燃料電池發(fā)動機為例，在上位機中設(shè)置基于GB/T 34593-2017的動態(tài)運行工況，燃料電池發(fā)動機根據(jù)運行程序按標(biāo)準(zhǔn)要求的每個工況點運行時間拉載，同時上位機程序自行判斷穩(wěn)定時刻和加減載邏輯，保證標(biāo)準(zhǔn)中相關(guān)要求。燃料電池發(fā)動機動態(tài)平均工況下輸出功率曲線見圖5。

在該動態(tài)工況下，燃料電池發(fā)動機受加載及減載速率影響，整組工況運行時間為1326 s，在每個穩(wěn)定點運行時間均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因動態(tài)工況過程中拉載功率實時變化，故以整個動態(tài)工況下系統(tǒng)平均效率及平均氫氣排放率為指標(biāo)進行計算，該組動態(tài)工況下系統(tǒng)平均效率為46.74%，平均氫氣排放率為1.23g/kWh。

在動態(tài)運行工況下，燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)平均效率為46.74%，平均氫氣排放率為1.23g/kWh；穩(wěn)態(tài)工況時燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)效率在42.68%～52.70%范圍內(nèi)變化，氫氣排放率在0.93～1.77g/kWh范圍內(nèi)變化。穩(wěn)態(tài)工況下，最優(yōu)系統(tǒng)效率點為20%Pe，在60%Pe時氫氣排放率最低。

3 結(jié)論與展望

（1）本文以某型號80kW燃料電池發(fā)動機為例，分析燃料電池發(fā)動機的經(jīng)濟性指標(biāo)特性，主要計算其在穩(wěn)態(tài)工況下和動態(tài)工況下的效率特性和氫氣排放率作為經(jīng)濟性指標(biāo)表征。

（2）穩(wěn)態(tài)工況下，隨著燃料電池發(fā)動機運行功率增加，系統(tǒng)效率在20%Pe達到最高后持續(xù)變低；氫氣排放率整體變化趨勢較為波動，在60%Pe時氫氣排放率最低。

（3）動態(tài)工況下，該燃料電池發(fā)動機持續(xù)運行1326 s，含加減載過程，整個工況動態(tài)平均效率為46.74%，平均氫氣排放率為1.23 g/kWh。

（4）本文介紹了兩種工況下燃料電池發(fā)動機效率特性氫氣排放率變化特性，為后續(xù)行業(yè)優(yōu)化提升燃料電池汽車動力系統(tǒng)及整車經(jīng)濟性提供數(shù)據(jù)參考。

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