機車用350 kW燃料電池熱管理系統設計

薛龍昌，劉佰博，賈紅洋

（1.中車工業研究院有限公司，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

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是近年來能源動力領域取得重大突破與發展的重要技術，特別是在交通領域，氫能源汽車及軌道交通車輛成為備受市場關注的革新性產品［1－2］。在軌道交通領域，燃料電池列車由于其清潔環保、不需要單獨架設電網、熱效率高等優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了氫燃料電池混合動力的有軌電車、機車［5－6］。質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帶出，此外在較低環境溫度和冷啟動的時候，為維持適宜的反應溫度需要通過加熱設施對系統進行加熱，因此相應熱管理系統是影響其性能的關鍵系統，也是技術開發的難點。

針對燃料電池熱管理系統，國內外已取得了一定的相關成果。其中汽車領域，對燃料電池熱管理系統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相關特性。郭愛等［12］對150 kW 燃料電池機車進行熱管理系統建模及仿真分析。付穩超［13］則開展了關于適用于城軌列車的燃料電池熱管理系統的設計和研究工作。上述研究尚未進行針對200 kW等級以上機車用燃料電池熱管理系統進行研究與設計工作，本文通過設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，解決了系統匹配、控制策略等相關問題。

1 熱管理系統組成及其工作原理

PEMFC燃料電池系統是氫氣和氧氣在質子交換膜的界面通過催化劑作用發生電化學反應生成水，在產生電能的同時釋放大量熱。如圖1 所示，350 kW燃料電池系統由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電子系統和一套共用的熱管理子系統。單套發電子系統包含了燃料電池電堆、燃料電池控制單元（FCU）、空氣供應單元、低壓供氫單元、DC／DC電力變換單元等。系統工作時由空氣供應系統和低壓供氫系統提供反應所需要的氣體，兩種氣體同時進入電堆發生反應，產生的電能經過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，其中產生的熱量則由熱管理子系統中的冷卻系統帶出。本系統中的發電子系統采用模塊化設計，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則根據機車車輛空間尺寸、動力性能、運用環境進行特殊定制化設計。

圖1 350 kW燃料電池系統構成及其主要參數

本套熱管理系統是根據機車一般運用環境而定制開發的，采用塔式結構，冷卻空氣在兩個風機帶動下從車體頂部側面進入，經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，冷卻系統通過強制通風冷卻方式，為燃料電池系統單套模塊提供溫度、壓力適宜的冷卻液，保證燃料電池系統的正常運轉。因此系統主要組成部件為冷卻風機、電堆冷卻器（FE 冷卻）、電力電子設備冷卻器（PE冷卻）、PE冷卻水箱、FE 冷卻水箱以及內置在發電模塊內的中冷器和PTC加熱模組等以及與之配套的泵、閥門、管路、傳感器等。冷卻塔結構如圖2 所示。

圖2 冷卻塔結構

2 主要參數分析與計算

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

根據機車的運用環境設定，熱管理系統工作環境為－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。具體結果如表1 所示。

表1 換熱需求與設計分析表

由表1 的結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，環境溫度40 ℃工況下，冷卻系統散熱器進水溫度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的設計要求。

（2）電力電子冷卻性能：在700 m 海拔，散熱器15%堵塞，環境溫度40 ℃工況下，冷卻系統散熱器進水溫度62 ℃（滿足小于或等于62 ℃設計要求）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的設計要求；在1 500 m 海拔，散熱器15%堵塞，環境溫度35 ℃工況下，冷卻系統散熱器進水溫度62 ℃（滿足小于或等于62 ℃設計要求）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

電堆是燃料電池系統工作的核心，其工作時對于溫度、壓力、冷卻水導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配置，即冷卻液從主管路經顆粒過濾器分成兩路分別進入電堆1 和電堆2，并經由電堆內部冷卻通道將電堆反應生成的熱量帶走。兩個電堆流出的高溫冷卻液匯合后經由水泵帶動，通過水管路被泵送到電堆冷卻器芯體液體側。由于散熱量較大，電堆冷卻器由兩個軸流變頻風機（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。

在電堆進出口冷卻液溫度的控制上，主要通過調整風機1和風機2 的轉速能來控制冷卻器進出口的冷卻液溫度在要求范圍內。此外電堆不同負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，則系統主回路關閉，冷卻水進入支路循環，經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調，保證入堆冷卻液的壓力在合適范圍內。系統工作原理如圖3 所示。

圖3 工作原理

3.1.2 電力電子冷卻循環

該循環包含了除電堆之外其他部件的冷卻需求，因此部件構成多、回路復雜、控制難度是其設計難點。但是上述設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對上述冷卻對象進行子回路分配。這樣以并聯為主適當考慮串聯的回路結構，能夠使得各支路的冷卻液流量與散熱功率得到均勻分配，系統結構也得到進一步簡化。

電力電子冷卻循環中低溫冷卻液從主管路出來后分成5 個并聯的回路，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路串聯了2個堆的一級DC／DC，另一個回路負擔了4堆共用DC／DC的一半冷卻負荷。5 個回路冷卻液與被冷卻設備換熱后，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機2。整個循環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控。具體系統工作原理如圖3所示。

3.2 冷啟動狀態加熱模式

低溫冷啟動性能指標是考核燃料電池系統環境適應性的重要指標。在0 ℃以下的環境溫度中，除了系統部件的防凍性能要求高、空氣熱物理性能變化大等影響外，最關鍵的是電堆反應的影響。在該環境下，因為冷卻液和空氣溫度過低，燃料電池反應生成的水容易凍結在質子交換膜表面，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，在這樣非常規狀態下工作對其長期性能和壽命的影響也十分嚴重。因此，本系統冷啟動模式的設計既要考慮中系統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熱條件，保證時間和溫度的最優控制。

環境溫度低于0 ℃，燃料電池系統處于停機狀態時，FE電動三通閥關閉外部散熱器回路，開啟PTC加熱回路，FE水泵低頻率運行、PTC加熱器低功率運行，根據進入電堆的水溫度調整PTC的加熱功率；當電堆1 和電堆2 出水溫度高于一定閥值（5～10 ℃）時，FE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與外部循環，此時水泵低頻運行，風機不開啟；當電堆1 和電堆2 出水溫度高于一定閾值時（65～70 ℃）時，關閉FE電動三通閥，冷卻液進入外部冷卻循環，FE 水泵低頻率運行，風機1 低頻率運行，根據環境溫度、燃料電池發電功率、進水溫度來調整風機1 頻率，根據進出電堆1、電堆2的較大水溫差調整FE水泵的頻率；當進入PE回路的水溫高于一定閥值時，PE 水泵工作，風機2 低頻率工作，根據進入PE回路的水溫大小和進出PE回路的溫差來調整風機2 的頻率；風機2 的頻率取步驟2 和步驟3 中的較大值。

4 結束語

本套系統由于整體功率較大、機車運用環境溫度變化高、整體熱管理要求較高，因此在性能分析、結構設計、控制策略等方面形成了如下特點。

（1）大功率低溫差換熱。該熱管理系統總體散熱功率為295 kW，是目前散熱功率最大的燃料電池熱管理系統之一，即便在機車領域對應同等功率的內燃機，在散熱器選型、風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，因此系統設計中FE水泵選型、系統阻力匹配等過程進行了較多的優化與分析。

（2）高集成度模塊化設計。大功率、多冷卻對象等特點對系統集成設計要求較高。本系統打破單堆或者單個系統匹配一套熱管理系統的常規模式，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滿足，大量減少了泵、閥門、風機、管路等配件的數量，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計。

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