100 kW質子交換膜燃料電池發動機散熱系統開發

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，質子交換膜燃料電池發動機作為主要動力源應用于汽車上已有近20年歷史，它可以代替汽車傳統內燃機系統，具有高效率、低污染、噪音低、低溫運行等優點[1-3]。由于技術和成本的原因，前些年國內開發的主流燃料電池發動機功率大多為30～60 kW級。隨著燃料電池汽車商業化應用的深入推進，重型卡車、大型客車逐漸成為現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《節能與新能源汽車技術發展路線圖》指出[4]，到2030年，大型商用車領域實現燃料電池汽車大規模推廣，數量達百萬輛。由于道路情況復雜多樣、負載變化復雜，對燃料電池發動機輸出功率需求增大，目前發動機的功率需求大多在90 kW以上。因而，提升燃料電池發動機的功率，并拓寬其環境適應性，是大功率燃料電池發動機開發的重要任務。隨著燃料電池發動機功率需求增大，發動機系統的散熱能力也需要提高，以適應大功率工況下運行。目前，由于百千瓦級大功率燃料電池發動機所需的電堆技術難度大，以及與之匹配的空壓機、氫氣循環泵、電控系統、DCDC等關鍵零部件尚不成熟[5]，供應商缺乏，使大功率燃料電池發動機的研發更加困難。

對于質子交換膜燃料電池發動機系統，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速率（Hydroxide reaction，HOR）和陰極腔氧還原反應速率（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，進而提高發動機整體效率。但溫度過高時，會使質子交換膜脫水，膜電導率下降，導致性能下降，甚至會造成膜裂紋與膜穿孔[6，7]。特別是對于大功率燃料電池發動機，電堆在高電流密度下工作時，產生的熱量更多，若熱量不能及時排出，極易在質子交換膜形成局部“熱點”，使電堆輸出性能急劇下降，這要求散熱系統具有良好的散熱能力。同時，燃料電池發動機在大功率工作時，輔助系統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穩定工作。因此，對于大功率質子交換膜燃料電池發動機散熱系統的開發設計工作尤為重要。

本文針對2020年冬奧會期間，北京-張家口區域運行燃料電池客車需求，開發百千瓦級大功率燃料電池發動機，分析其內部主動散熱系統和輔助散熱系統的熱傳遞過程，本項目采用的神力科技電堆，主散熱需求達到154.4 kW，輔助散熱需求達到30 kW；針對散熱需求較大的主動散熱系統，進行了系統設計開發與零部件選型匹配，并進行了實驗測試，驗證了選型零部件的可靠性。

1 燃料電池發動機的散熱需求分析

燃料電池發動機是以燃料電池堆為核心，配置相應的輔助設備，形成燃料電池系統，將其用作車輛動力源，即：燃料電池發動機。圖1為豐田Mirai燃料電池發動機系統圖[8]。燃料電池發動機的效率高于傳統內燃機，它仍然會產生大量的廢熱，為保障運行，需研發滿足運行溫度要求的熱管理系統。燃料電池發動機的熱源主要由兩部分組成，其中大部分熱量是電堆內部電化學反應產生的熱量，剩余的是輔助零部件的功耗產熱。因此，燃料電池發動機的散熱系統開發也分為主散熱系統開發和輔助散熱系統開發兩部分。

1.1 主散熱系統熱分析

質子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）在實際應用中，氫燃料化學能的40%～60%轉換成電能供給汽車[9]，其余的能量大部分轉化為熱能，這部分能量必須通過散熱器等部件傳遞到環境中，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]，與外界環境溫差較小，夏季時，散熱器進風溫度可能達到40℃甚至更高，此時換熱溫差僅有20～40℃，與傳統內燃機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動機散熱系統開發的首要任務。

圖1 豐田Mirai燃料電池發動機系統圖[8]

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

式（1）中，n表示燃料電池堆單電池片數；OCV表示開路電壓，本文取1.2 V；I表示流經電堆的電流，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級燃料電池堆開發發動機系統，電堆參數見表1。圖2為不同電流下，電堆的理論產熱，其中BOL（Beginning of Life）指電堆壽命初期，未發生衰減下的理論產熱，EOL（Ending of life）指電堆電壓衰減20%的理論產熱。假設單電池額定電壓為0.65 V，額定電流為435 A，則額定工況下電堆BOL理論產熱為107.6 kW，電堆EOL理論產熱為129.2 kW。由圖2可見，在電堆生命周期內，電堆最大產熱將達到154.4 kW，即主散熱器需按照154.4 kW進行設計。

表1 上海神力大功率電堆參數表

圖2 電堆壽命初期（BOL）和壽命衰減20%（EOL）理論產熱

1.2 輔助散熱系統熱分析

為滿足燃料電池堆額定工況的空氣、氫氣和冷卻水的供應，發動機需要借助空壓機、氫氣循環泵和水泵等旋轉機械，將電能轉化為機械能，此過程同樣伴隨著熱量的產生。同時，控制器、DC/DC轉換器等電氣部件工作中也會產生一部分熱量，這些都需要散熱系統來維持其熱平衡。對于這些輔助部件的散熱系統，一般與整車的電機及控制器散熱系統整合在一起，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熱功率、最高冷卻水進水溫度、零部件的耐溫耐壓值、是否具有超溫保護等參數提供至整車，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行燃料電池發動機輔件的散熱。燃料電池發動機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 主散熱系統的開發設計

圖3為燃料電池發動機主散熱系統原理圖，主要由電堆作為熱源部件，水泵帶動冷卻液流經電堆與換熱器，換熱器與環境空氣通過風扇進行強制對流換熱，實現了熱源部件熱量向環境的轉移，維持電堆內部的熱平衡。散熱系統的換熱效率主要由空氣和冷卻液的流動狀態共同決定。此外，散熱系統采取了傳統汽車空調系統中的大循環/小循環切換模式。利用蠟式節溫器和PTC加熱器，滿足發動機冷啟動時的電堆溫度需求。由于燃料電池對流經電堆內部工質的電導率有著極高的要求，散熱系統增加旁路，定期用補水箱內冷卻液流經去離子罐，控制冷卻液的電導率。燃料電池主散熱系統原理見圖3。

表2 燃料電池發動機輔助零部件散熱需求

圖3 燃料電池主散熱系統原理圖

2.1 主散熱系統參數設計

燃料電池主散熱系統的冷卻液通常可選用去離子水或者體積分數50%的乙二醇水溶液，本文選用去離子水作為主散熱系統的冷卻液。

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熱與冷卻液參數

散熱系統的流動損失主要有散熱器、節溫器、電堆等部件的水阻以及管路的壓頭損失。散熱器、節溫器、電堆的水阻可由供應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下冷卻液流速設計要求，選取內徑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阻力設計計算表。

2.2 零部件匹配計算與選型

1）水泵

根據電堆冷卻液的壓力、流量的需求值和冷卻腔耐壓值進行水路零部件的選型。為了滿足燃料電池發動機額定工況進堆冷卻水溫度≤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)，進行水泵的選型，選型參數如下：

適用介質：去離子水或FC專用防凍液；

適用環境溫度：-30～85℃；

通訊方式：CAN（波特率250 kbps）；

防護等級：IP67；

壽命：＞10 000 h。

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

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。額定工況下流量需求為211 L min-1，4 500 rpm轉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管路阻力需求。

表3 主散熱系統阻力設計計算表

圖7 ECP601B水泵揚程-流量&工況點匹配散熱器

2）散熱器

根據前文主散熱系統熱分析，燃料電池發動機全生命周期內電堆最大產熱為154.4 kW，散熱器選型應大于該熱量值，同時需要考慮散熱器的包絡空間來匹配電子風扇的選型。表4為散熱器設計參數。

表4 散熱器設計參數表

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

表5 天津某廠家散熱器規格參數表

主散熱系統中的冷卻介質（去離子水）的電導率隨著時間的積累會逐漸升高，當高于一定值時，電堆輸出端正負極間的絕緣值會下降，有高壓電絕緣失效的潛在危險，考慮冷卻水循環管路阻力，需要在循環支路上并聯去離子純化單元（去離子罐），保證冷卻水電導率長時間保持在安全值以內。此外，對于布置在車頭的散熱器，為了提高迎風速度，應該將風扇設計為吸風式散熱器，如果風扇是吹風設計，車外環境，風扇與芯體的進風結構將影響進風的風速，進而影響空氣側的換熱能力[15]。

3）PTC加熱器

當環境溫度較低時，燃料電池發動機啟動需要主散熱系統對電堆進行預加熱，故主散熱系統中需要并聯一路小循環（圖3所示），小循環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。綜合考慮循環管路總水容積，水的溫升速率，加熱器電熱轉換效率進行PTC加熱器設計選型，設計要求參數如下：

表6 天津某廠家散熱器實驗測試數據

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；

小循環水容積：電堆5 L，管路5 L，總計約10 L；

根據參數要求，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。所選加熱器測試數據見表7。加熱器的功率隨著進水溫度的增加而降低，隨著流量的增加而增加，溫度為0℃的進水，流量在20 L/min時PTC加熱器測試數據在8 kW左右。

表7 PTC加熱器測試數據

4）節溫器

根據溫度范圍對應的節溫器開度和最大流量，選取節溫器通徑尺寸。開度控制的響應時間滿足＜0.5 s；阻力＜25 kPa(g)（大循環流量），選取大循環外徑38 mm，小循環外徑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行補水操作。考慮傳感器的使用壽命，選擇無水接通，有水斷開的控制方式。壓力蓋的開啟壓力設計為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，主要進行電堆進水、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 結論

目前燃料電池發動機向高功率、寬溫域適用性的方向發展，本文針對神力科技公司擬開發的百千瓦級大功率燃料電池發動機，進行了其散熱系統的開發研究，開發的燃料電池發動機系統在額定工況凈輸出可以達到104 kW，滿足-40℃低溫存儲和-30℃低溫冷啟動的要求。

質子交換膜燃料電池發動機與傳統內燃機相比，具有散熱工況更為苛刻，散熱需求更大的特點，因此對散熱系統的要求也更為復雜。本文通過對燃料電池發動機主散熱系統和輔助散熱系統的散熱需求分析，開發設計了主散熱系統，并進行了主散熱系統的重要零部件，如水泵、散熱器、PTC加熱器、水箱等選型與測試，所涉及的散熱系統基本滿足百千瓦級大功率燃料電池發動機的主散熱需求。

此次散熱系統的開發為今后大功率質子交換膜燃料電池發動機產品化打下堅實的基礎，也為大功率質子交換膜燃料電池應用于船舶、航空航天、固定式發電裝置（燃料電池發電站）等更大功率需求領域提供開發經驗。