燃料電池發動機經濟特性分析

摘 要：燃料電池發動機以氫氣為動力源，靠氫氣、空氣在電堆內部發生電化學反應發電而釋放能量。燃料電池發動機雖不受卡諾循環限制，但因輔機功耗、氫氣利用率等因素，燃料電池發動機效率受工作環境、拉載工況等因素影響。本文計算不同工況下燃料電池發動機效率和氫氣排放率，通過對比燃料電池發動機在穩態工況和動態工況下效率變化特性，為后續燃料電池發動機裝車后整車動力分配和提高經濟性等關鍵指標提供參考。

關鍵詞：燃料電池發動機 效率 最優算法 經濟性

0 引言

燃料電池靠氫氣、空氣在電堆內部發生電化學反應放電，因其具有零排放、效率高、噪音小等優點，目前被認為是新能源汽車發展途徑中較為理想的動力源之一。經濟性作為衡量燃料電池汽車性能重要指標之一，國內外專家對此進行相關研究。于丹等[1]基于城市示范運行，結合仿真數據和實際運行對燃料電池汽車運行的經濟特性進行分析，并對提升燃料電池汽車運行經濟性提出了相關建議。同時，專家學者們結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算法進行了驗證[2-7]。燃料電池發動機作為燃料電池汽車動力總成重要部件，其經濟性能對于燃料電池汽車經濟具有重要作用。燃料電池發動機經濟性特性評價，一般結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。孫應東等[9]基于100kW燃料電池系統，針對啟動、穩態、加載三個工況進行了輔機功耗及系統功率特性研究。本文針對燃料電池發動機不同工況下氫氣排放率及系統效率進行研究及分析，為提高燃料電池汽車經濟性指標提供參考依據。

1 燃料電池發動機測試臺架搭建

燃料電池發動機由空氣供應系統、氫氣供應系統、控制系統、水熱管理系統組成。燃料電池發動機在運行時需要外部穩定持續氫源供氣和充足空氣保證燃料電池堆發生電化學反應輸出電功率，需要試驗環境能夠提供足量的新風和壓力穩定、流量滿足的氫氣供燃料電池堆發生電化學反應，燃料電池堆產生的電能通過DC-DC升壓后釋放到電子負載，由電子負載將電量饋至電網。為保證燃料電池發動機正常工作，試驗室內具有良好的散熱能力，防止空氣溫度過高引發空壓機功耗增加，同時環境溫度過高不利于燃料電池發動機散熱容易引起水溫超溫系統急停。同時，燃料電池發動機在運行過程中，電堆內部循環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動機主輔回路進行散熱保證燃料電池發動機各部件運行在合適的溫度區間內，現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。燃料電池發動機正常運行需要上位機進行測試臺與燃料電池發動機之間的信息交互、發送指令、采集數據等，燃料電池發動機測試臺架搭建除上位機外需要CAN盒、功率分析儀、數采模塊、氫氣流量計、溫度傳感器、壓力傳感器等輔助設備采集數據、傳輸數據、存儲數據。燃料電池發動機中空壓機、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及散熱器工作。為保證試驗環境安全，試驗室內有必要安裝相關氫安全監控平臺，同時可以與測試臺進行聯動，提升燃料電池發動機試驗的安全可靠性。燃料電池發動機測試臺架架構見圖1所示。

2 燃料電池發動機穩態工況效率特性分析

穩態特性試驗是衡量燃料電池發動機及其部件在不同工況點極化特性、輸出特性、經濟特性的主要方法。穩態特性試驗要求燃料電池發動機在其工作范圍內選擇的工況點分別是怠速（或燃料電池發動機最低功率點）、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 電池發動機最低功率點）運行10 s后按照規定加載 方式加載至預先確定的工況點（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 點分析數據的時間長度不得少于2 min。穩態工況能夠說明燃料電池堆、輔助系統與燃料電池發動機在不同功率區間內工作特性，可得到電堆極化曲線、功率曲線、效率曲線等燃料電池發動機關鍵數據。本文以國產某型號80kW燃料電池發動機為例，基于GB/T 24554-2022《燃料電池發動機性能試驗方法》穩態特性試驗測試方法進行相關數據分析。燃料電池發動機試驗如圖2所示。

2.1 穩態工況下燃料電池發動機經濟性指標

為保證燃料電池發動機平穩輸出功率，需要BOP輔助系統工作，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，燃料電池堆陽極側需要過量供給氫氣，氫氣的利用程度同樣能夠體現燃料電池發動機工作的經濟性指標。因此常用來考量燃料電池發動機經濟性的指標有系統效率和氫氣利用率即氫氣排放率。燃料電池發動機系統效率計算公式見式（1）。

（1）

式中：

——燃料電池發動機效率；

——燃料電池發動機輸出功率，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；

為法拉第常數，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 動態工況下燃料電池發動機經濟性指標

燃料電池發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，在考量燃料電池發動機經濟性指標時如果單純以穩態工況進行分析時，并不能體現加減載、開機停機等工況下氫氣的利用程度，單純基于穩態工況下考慮燃料電池發動機經濟性指標具有一定局限性，并不能完整反映在整車運行狀態下燃料電池發動機的各項經濟性指標及特性。

為分析動態工況下燃料電池發動機的經濟性特性，本文采用基于GB/T 34593-2017《燃料電池發動機氫氣排放測試方法》中的動態運行工況進行燃料電池發動機經濟性指標計算。該動態工況共有36個工況點，循環工況時間累計1200s（不含加減載時間）。燃料電池發動機在熱機狀態下跟隨工況運行，其中為保持嚴謹性，要求在每工況點穩定運行時間與工況表中保持一致，拉載時間不做要求。本文以某款國產燃料電池發動機為例，在上位機中設置基于GB/T 34593-2017的動態運行工況，燃料電池發動機根據運行程序按標準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定時刻和加減載邏輯，保證標準中相關要求。燃料電池發動機動態平均工況下輸出功率曲線見圖5。

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

在動態運行工況下，燃料電池發動機系統平均效率為46.74%，平均氫氣排放率為1.23g/kWh；穩態工況時燃料電池發動機系統效率在42.68%～52.70%范圍內變化，氫氣排放率在0.93～1.77g/kWh范圍內變化。穩態工況下，最優系統效率點為20%Pe，在60%Pe時氫氣排放率最低。

3 結論與展望

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

（2）穩態工況下，隨著燃料電池發動機運行功率增加，系統效率在20%Pe達到最高后持續變低；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）動態工況下，該燃料電池發動機持續運行1326 s，含加減載過程，整個工況動態平均效率為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動機效率特性氫氣排放率變化特性，為后續行業優化提升燃料電池汽車動力系統及整車經濟性提供數據參考。

參考文獻

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