質子交換膜燃料電池發電系統設計*

袁永先 吳 波 劉長振 董江峰 徐光輝 陳曉飛 任慶霜

（中國北方發動機研究所(天津)天津 300400）

引言

從能源的利用效率和環境保護方面來看，氫燃料電池被認為是車用動力源理想的能量來源。目前，氫燃料電池發電系統主要以氫空質子交換膜燃料電池為主。

在軍用領域，特別是在高強度、高技術條件下的局部軍事沖突和反恐斗爭已經成為我國主要戰爭模式的新形勢下，陸軍特種作戰裝備以及無人作戰平臺等對車載電源能量密度、隱蔽性、運行時間和可靠性等都提出了更高的要求[1-2]。

燃料電池在滿足軍事需求方面有著特別的技術優勢。氫燃料電池發電系統不僅工作效率高，而且具有高隱蔽性：低噪聲、低紅外輻射溫度等優勢[3-4]。相比噪聲大、紅外熱信號顯著的傳統汽、柴油發電機，氫燃料電池發電系統在作戰中可以更好地隱藏自己，反偵察能力強，在對噪聲、紅外輻射要求較高的軍用車輛上應用優勢明顯，能夠提高軍用車輛在戰爭中的隱蔽性和生存力[5]。另外，氫燃料電池發電系統反應快、運行可靠性高、維護方便，能量利用效率高[6]。用氫燃料電池發電系統取代傳統柴油發電機，可構成一個沒有排煙、低噪聲、零排放的清潔高效輔機電站，也可作為應急照明電源、通訊指揮系統電源、防空報警器電源等各種移動式電源[7]。

因此，作為備用電源或新型動力源的氫燃料電池發電技術，在軍事領域的應用引起了軍方極大的興趣。

針對軍事應用需求背景，有必要開展氫燃料電池發電技術研究，為提高我軍的作戰能力及達到多種軍事目的提供支撐。

1 氫燃料電池發電系統

1.1 氫燃料電池發電系統的組成

本項目氫燃料電池發電系統主要由氫氣供給系統、空氣供給系統、質子交換膜燃料電池電堆以及水熱管理系統和相應的控制系統構成（包括各種泵、閥體、傳感器和控制器），系統組成如圖1 所示。

圖1 氫燃料電池發電系統組成圖

1.2 氫燃料電池發電系統主要參數

本項目氫燃料電池發電系統的主要參數如表1所示。

表1 氫燃料電池發電系統主要參數

1.3 氫燃料電池發電系統原理圖

圖2 為本項目氫燃料電池發電系統原理框圖。

圖2 氫燃料電池發電系統原理圖

高壓氫氣通過減壓、調壓后，進入燃料電池陽極參加反應，電子通過外電路進人陰極，形成電流。空氣在陰極反應生成水。燃料電池電堆反應后的氫、水混合物從氫氣管道出口流出，大部分未反應的氫氣被氫循環泵增壓后，返回燃料電池電堆氫氣管道入口被重新利用，少部分氫氣根據需要經排氫電磁閥排放至混合器。混合器的主要功能是使電堆陰極排出的空氣稀釋陽極排出的少量氫氣,使從混合器出口排入大氣的氫氣濃度小于4%（體積分數），滿足國家標準要求。水熱管理系統的熱管理必須保證把電化學反應生成的熱量及時帶走，維持電堆在恒定的溫度下工作；水管理必須保證電化學反應生成的水及時排出，并對進入電堆的空氣進行有效加濕。

1.4 氫燃料電池發電系統方案設計分析

1.4.1 總體方案

根據項目參數需求，結合國內外技術研究現狀，并參考國內外較為成熟的燃料電池系統的總體布置及各子系統的特點，本項目氫燃料電池發電系統總體布置方式采用集中與分布式相結合的方式，即根據整車的可使用空間，氫燃料電池發電系統主體模塊集中安裝，其它輔助零部件（如氫瓶、散熱器等）分布安裝的方式。

考慮到經濟性及方便性，氧化劑采用空氣，冷卻劑采用去離子水（低溫時按比例加入乙二醇）。

根據反應氣壓力，燃料電池系統可以分為高壓燃料電池系統和低壓燃料電池系統。空氣供給系統中的空氣壓縮機是整個燃料電池系統噪聲的主要來源。研究表明，在高壓燃料電池發電系統中，輸出功率的20%～30%被用于空氣壓縮機[8]。因此，考慮本項目的功率、效率與噪聲指標要求，確定采用低壓氫燃料電池系統方案。

進入電堆的反應氣中，空氣采用加濕器加濕，滿足陰極空氣濕度需求。

氫燃料電池系統輸出電壓范圍：50～150 V,可根據需要另配變壓裝置進行升降壓處理。如需交流電，增加逆變裝置處理。

1.4.2 電堆

采用低壓（0.125 MPa）操作的質子交換膜燃料電池電堆模塊。電堆采用低壓操作，降低電堆的運行溫度，以減少電堆的紅外輻射溫度。

1.4.3 水熱管理系統

水熱管理系統主要指冷卻循環系統。冷卻系統采用閉式強制冷卻方式，為了盡快升高系統溫度，提高系統效率，并在氣溫零下時能對系統進行加熱，采用大小循環結構（采用電機式節溫器），在小循環中串聯PTC 電加熱器（有助于燃料電池低溫啟動），同時采用膨脹水箱進行放氣和補水，減小整個水熱管理系統的熱容[9]。

1.4.4 空氣供給系統

空氣增壓采用鼓風機加壓方式，鼓風機功耗低，適用于小功率（＜30 kW）燃料電池系統。其電源直接取自電堆輸出，運轉平穩、噪聲小，有利于滿足項目噪聲指標要求。通過調節鼓風機端電壓即可調節其轉速，改變空氣供給流量。空氣增濕方式采用氣-氣膜增濕方式，選用氣-氣膜加濕器，利用電堆陰極排出的濕空氣對干的進氣進行加濕，空氣過濾器集成消聲器，以降低噪聲。

1.4.5 氫氣存儲與供給系統

儲氫系統采用70 MPa 的高壓儲氫罐，因此供氫系統可以兼容35 MPa 儲氫罐。供氫壓力通過2 級減壓閥來實現降壓與穩壓。采用氫氣循環泵來循環利用過量的氫氣。過量的氫氣一方面保證電化學反應的充分進行，另一方面帶走陽極的水分及雜質氣體，經過汽水分離裝置，大部分氫氣通過氫循環泵循環利用，少量氫氣、雜質氣體、水經排氫閥、排水閥排出系統外。

1.4.6 控制系統

電控方案硬件部分主要包含系統主控制器（FCU）、傳感器、執行器以及通訊線路的連接，各傳感器的信息采樣與控制由主控制器完成，通過線束與控制器連接起來，控制器與零部件及上位機等通過CAN 網絡進行通訊交互，實現燃料電池系統啟動、運行等狀態的控制與監測，并在運行過程中進行動態能量管理以及故障處理。

主控制器是整個燃料電池系統的大腦，它負責對整個發動機功能模塊的控制以及與其他控制器的通信。

1.5 氫燃料電池發電系統主要參數設計

1.5.1 空氣供給量

根據電堆參數計算空氣流量：

式中：Vg為空氣流量，L/min；λ 為空氣當量比；Ncell為電堆單電池片數；Ist為電堆電流，A；F 為法拉第常數，C/mol。

本項目中，λ=2；Ncell=160；Ist=155 A；F=96 485 C/mol。代入公式（1），得到Vg=823 L/min。考慮系統有10%的過載能力，因此，空氣流量為905 L/min。

空氣濾清器的流量取額定工況下進氣量的1.2倍，即823×1.2=988 L/min。

1.5.2 阻力特性估算

電堆模塊阻力特性由電堆合作方提供，最大空氣流量時的壓降為15 kPa；根據空氣濾清器的流量預估其壓降為0.5 kPa；加濕器選用氣-氣膜加濕器，其壓降的廠家測試數據見表2。

表2 加濕器壓降的廠家測試數據表MPa

根據表2 所示的加濕器壓降的廠家測試數據可知，滿足流量需求時的壓降約為4 kPa；電堆前管路壓降預估為0.5 kPa，電堆后管路壓降預估為0.5 kPa，因此，總壓降約為20 kPa。

1.5.3 鼓風機參數

根據阻力特性參數計算，鼓風機壓比為1.2；根據鼓風機特性，其最大消耗功率約為1.3 kW，鼓風機的流量為905 L/min。

1.5.4 氫氣供給量

氫氣流量：

式中：Pe為電堆輸出功率，W；Uc為單片工作電壓，V（根據電堆的實際工作電壓選取）；F 為法拉利常數，C/mol。

本項目中，Pe=18 000 W；Uc=0.67V；F=96 485 C/mol。代入公式（2），mH2=187.1 L/min。

氫氣過量系數取1.2，則氫氣總流量為224.5L/min。

1.5.5 水熱系統參數

根據研究，質子交換膜燃料電池（PEMFC）額定工況電堆的最大效率一般為50%左右，為保證15 kW的系統發電功率，初步選定采用20 kW 的PEMFC 電堆。因此，燃料電池冷卻系統帶走的熱量為20 kW。冷卻循環水量可按下式計算：

式中：Vw為冷卻循環水量，L/h；Qw為冷卻水帶走的熱量，kW；Cw為冷卻水的比熱，kcal/（kg·℃）；ρw為冷卻水的密度，kg/L；Δtw為冷卻水在燃料電池電堆內的溫差，℃。

本項目中，Qw=20 kW=172 00 kcal/h；Cw=1.0 kcal/（kg·℃）；ρw=1.0 kg/L；Δtw=7 ℃。代入公式（3），計算得出冷卻循環水量為2 457 L/h。

冷卻系統設計工況：

1）環境溫度≤45 ℃，最高取45 ℃；

2）散熱量為20 kW，燃料電池進出口水溫分別為65 ℃和75 ℃，冷卻介質最高回水溫度確定為不超過80 ℃；

3）冷卻系統冷卻介質電導率維持在5.0 μs/cm以下；

4）冷卻介質為50%乙二醇水溶液。

1.6 氫燃料電池發電系統性能仿真

采用基于Matlab 的Simulink 工具對氫燃料電池發電系統進行系統性能模擬計算。圖3 為氫燃料電池發電系統仿真模型。

圖3 氫燃料電池發電系統仿真模型

1.6.1 空氣供給系統

空氣供給系統包括空氣濾清器（air filter）、鼓風機（blower）以及氣-氣增濕器（G2G）。

1）鼓風機建模。

根據陰極流阻特性，電堆陰極與鼓風機出口之間的壓差Δp 和陰極控制質量流量滿足：

式中：S 代表陰極流道和加濕器進口的流阻之和。

同時，鼓風機流量與鼓風機轉速滿足正比關系：

2）加濕器建模。

根據廠家提供的加濕器特性，可按下式計算出加濕器流阻：

式中：ρ 為加濕器的流阻系數；Δp 為加濕器進出口壓差，MPa；為空氣流量，kg/h。

1.6.2 氫氣供給系統

氫氣供給系統為高壓源，可由減壓閥、穩壓閥將氫氣壓力保持在0.13 MPa。

1.6.3 熱管理系統

1）電堆模型

以電堆供應商所提供的極化曲線為參考，采用機理建模及參數擬合相結合的方式進行電堆模型建模。基于已知數據，對電堆參數進行擬合。擬合極化曲線時，空氣流量保證過氧比為1.8，進口濕度為60%，電堆溫度為定常溫度75 ℃。擬合的曲線與實驗曲線的對比如圖4 所示。

圖4 電堆極化曲線

結果表明，擬合方法有效，單片電壓誤差不超出15 mV。基于擬合出的數據，進而仿真計算系統在陰極壓力為0.125 MPa 下的功率、效率，并進行分析，預測系統性能。

電堆是影響整個系統的熱源，只要電堆在工作，系統中就會不斷地產生熱。因此，需要對系統進行散熱。電堆冷卻液的循環將熱帶走，經過外部風扇與外界環境進行熱交換。

對于電堆自身來說，熱平衡公式如下：

式中：Mst為電堆的質量，kg；Cps為電堆的比熱，kcal/（kg·℃）；為電堆溫度變化率，℃/h；Cp_col為冷卻液的比熱，kcal/（kg·℃）；Qreact為電化學產熱功率，kW；為冷卻液的質量流量，kg/h；T1為電堆冷卻液入口溫度，℃；T2為電堆冷卻液出口溫度，℃。

2）水泵熱模型。

水泵流量與揚程的特性曲線如圖5 所示。

圖5 水泵特性曲線

水泵的轉速與流量之間成線性關系，根據水泵最大最小轉速以及對應的流量最大最小值，可以確定該線性關系如下：

式中：Qcol為水泵的流量，L/h；npump為水泵的轉速，r/min；k、b 為常數。

因此，可以建模如圖6 所示。

圖6 水泵模型

其中，flow2pump 模塊是為了避免因水泵流量過大造成的揚程不足。

3）散熱器模型。

散熱器的散熱特性采用下式表征：

式中：Qradiator為散熱器散熱功率，kW；Tamb為環境溫度，℃；Tave為散熱器內冷卻水平均溫度，℃；為風扇流量，kg/h；Cp_air為空氣的比熱，kcal/（kg·℃）。

穩態時，風扇的散熱量應該與冷卻水的散熱量相等，即：

因此，風扇帶走熱量的多少影響著電堆進出口冷卻液的溫度，進而影響電堆的溫度。

1.6.4 電壓模型

對于燃料電池電堆的電化學過程而言，電池電壓主要為可逆電動勢減去電池內部極化。電池的可逆電動勢與反應物的活度相關，可以用能斯特方程描述。電池內部極化又分為濃差極化、電化學極化以及歐姆極化。

1）能斯特電壓。

考慮到電堆工作于70～85 ℃環境下，可以計算得到標準濃度下的電極電勢：

式中：E0為電極電勢，V；ΔG0為吉布斯自由能，J/mol；F 為法拉利常數，C/mol。

通過公式（11）計算，可得E0=1.195。

于是，能斯特電壓表達式最后確定為：

式中：R 為通用氣體常數；Tst為電堆溫度，℃;為氫氣活度，mol/L；為氧氣活度，mol/L[10-11]。

2）巴特勒伏爾摩極化。

根據電化學動力學原理，巴特勒伏爾摩極化為：

式中：a 為傳輸系數，取為0.5；jst為電流密度，A/m2；為參考濃度下的參考交換電流密度，A/m2；為催化層氧氣濃度，%[10-11]。

3）歐姆極化。

質子在膜內受到的阻力可以用面電阻表征，面電阻對電壓的影響可以表示為：

式中：ηohmic為歐姆極化；ist為電流密度，A/m2；ASRmem為面電阻，Ω[10-11]。

面電阻與質子交換膜的厚度以及電導率有關，即：

式中：δmem為質子交換膜厚度，mm；σmem為質子交換膜的電導率，μS/cm[10-11]。

綜上所述，燃料電池的電壓可以表征為：

1.6.5 燃料電池系統仿真結果

通過所建立的模型，仿真計算得到燃料電池電堆輸出功率、系統輸出功率以及系統效率曲線分別如圖7、圖8 以及圖9 所示。

圖7 電堆輸出功率曲線

圖8 系統輸出功率曲線

圖9 系統效率曲線

效率的計算公式如下：

式中：ηst為電堆電壓效率；ηsys為系統效率；ηpurge為排氫消耗效率，取為定值ηpurge=0.96；Vcell為電池單片電壓，V；Vst為電堆電壓，V；Ist為電堆電流，A；Pblower為鼓風機功耗，kW，由鼓風機特性數據知，Pblower=1.3 kW；Ppump為水泵功耗，kW，通過計算，Ppump=0.129 kW；Phydrogen_pump為氫循環泵功耗，kW，Phydrogen_pump=0.4 kW。

根據電堆供應商提供的電堆極化曲線，電堆在其0.125 MPa 相應的操作條件下，效率較低。通過優化電堆操作條件，可以使額定工況（155 A）的電堆功率為19.4 kW（見圖7），系統輸出功率為17.6 kW（見圖8），滿足電堆功率大于18 kW、系統輸出功率大于15 kW 的需求。電堆功率最大可以達到21 kW，系統輸出功率最大可以達到19 kW，均出現在190 A 電流附近。當電堆電流大于190 A 時，功率和效率均急劇下降，均低于40%。

根據電堆的極化特性，隨著電流的增大，電堆電勢下降，造成系統非體積功損耗，產生的熱量增加。且在大電流密度下，電堆極化主要由濃差極化造成，電勢急劇下降，電堆熱功率急劇升高。此時，系統對散熱系統的散熱能力要求增加。如果不能及時散熱，電堆溫度較難穩定，出現功率快速下降的情況。

綜上所述，考慮到電堆的效率以及耐久性，并考慮操作裕量，推薦電堆操作的最大電流為175A，系統不要超175A 運行。

2 結論

根據軍事應用適應性需求分析及項目指標要求，制定了系統原理圖，并對主要參數進行了匹配計算、分析，確定了氫燃料電池發電系統的總體方案及各子系統技術方案。通過仿真計算，初步驗證了電堆及系統的功率、效率指標，滿足預期性能要求。下一步，通過仿真優化及臺架性能試驗，進一步測試系統的噪聲、紅外輻射溫度等性能，驗證氫燃料電池發電系統方案的可行性及軍用適應性。