燃料電池發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)特性分析

摘 要：燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)雖不受卡諾循環(huán)限制，但因輔機(jī)功耗、氫氣利用率等因素，燃料電池發(fā)動機(jī)效率受工作環(huán)境、拉載工況等因素影響。本文計(jì)算不同工況下燃料電池發(fā)動機(jī)效率和氫氣排放率，通過對比燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)裝車后整車動力分配和提高經(jīng)濟(jì)性等關(guān)鍵指標(biāo)提供參考。

關(guān)鍵詞：燃料電池發(fā)動機(jī) 效率 最優(yōu)算法 經(jīng)濟(jì)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(diǎn)，目前被認(rèn)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(jì)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(jìn)行相關(guān)研究。于丹等[1]基于城市示范運(yùn)行，結(jié)合仿真數(shù)據(jù)和實(shí)際運(yùn)行對燃料電池汽車運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)特性進(jìn)行分析，并對提升燃料電池汽車運(yùn)行經(jīng)濟(jì)性提出了相關(guān)建議。同時(shí)，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(yàn)臺架等手段對相關(guān)算法進(jìn)行了驗(yàn)證[2-7]。燃料電池發(fā)動機(jī)作為燃料電池汽車動力總成重要部件，其經(jīng)濟(jì)性能對于燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)具有重要作用。燃料電池發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性特性評價(jià)，一般結(jié)合氫氣利用率和輔機(jī)功耗兩方面因素進(jìn)行綜合評價(jià)。翟俊香等[8]通過試驗(yàn)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(gè)工況進(jìn)行了輔機(jī)功耗及系統(tǒng)功率特性研究。本文針對燃料電池發(fā)動機(jī)不同工況下氫氣排放率及系統(tǒng)效率進(jìn)行研究及分析，為提高燃料電池汽車經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)提供參考依據(jù)。

1 燃料電池發(fā)動機(jī)測試臺架搭建

燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)在運(yùn)行時(shí)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(yàn)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(fù)載，由電子負(fù)載將電量饋至電網(wǎng)。為保證燃料電池發(fā)動機(jī)正常工作，試驗(yàn)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(jī)功耗增加，同時(shí)環(huán)境溫度過高不利于燃料電池發(fā)動機(jī)散熱容易引起水溫超溫系統(tǒng)急停。同時(shí)，燃料電池發(fā)動機(jī)在運(yùn)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(jī)、DC-DC等在運(yùn)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(jī)主輔回路進(jìn)行散熱保證燃料電池發(fā)動機(jī)各部件運(yùn)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(jī)、DC-DC等）一般分為兩路進(jìn)行散熱循環(huán)。燃料電池發(fā)動機(jī)正常運(yùn)行需要上位機(jī)進(jìn)行測試臺與燃料電池發(fā)動機(jī)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(jī)測試臺架搭建除上位機(jī)外需要CAN盒、功率分析儀、數(shù)采模塊、氫氣流量計(jì)、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(jī)中空壓機(jī)、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(jī)系統(tǒng)及散熱器工作。為保證試驗(yàn)環(huán)境安全，試驗(yàn)室內(nèi)有必要安裝相關(guān)氫安全監(jiān)控平臺，同時(shí)可以與測試臺進(jìn)行聯(lián)動，提升燃料電池發(fā)動機(jī)試驗(yàn)的安全可靠性。燃料電池發(fā)動機(jī)測試臺架架構(gòu)見圖1所示。

2 燃料電池發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況效率特性分析

穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)是衡量燃料電池發(fā)動機(jī)及其部件在不同工況點(diǎn)極化特性、輸出特性、經(jīng)濟(jì)特性的主要方法。穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)要求燃料電池發(fā)動機(jī)在其工作范圍內(nèi)選擇的工況點(diǎn)分別是怠速（或燃料電池發(fā)動機(jī)最低功率點(diǎn)）、10%PE、20%PE、 30%PE、40%PE、50%PE、60%PE、70%PE、80%PE、90%PE。在完成熱機(jī)后，回到怠速（或燃料 電池發(fā)動機(jī)最低功率點(diǎn)）運(yùn)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(diǎn)（按照從低到高順序加載），在每個(gè)工況點(diǎn)至少運(yùn)行3 min，且每個(gè)工況 點(diǎn)分析數(shù)據(jù)的時(shí)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(jī)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(jī)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(jī)為例，基于GB/T 24554-2022《燃料電池發(fā)動機(jī)性能試驗(yàn)方法》穩(wěn)態(tài)特性試驗(yàn)測試方法進(jìn)行相關(guān)數(shù)據(jù)分析。燃料電池發(fā)動機(jī)試驗(yàn)如圖2所示。

2.1 穩(wěn)態(tài)工況下燃料電池發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

為保證燃料電池發(fā)動機(jī)平穩(wěn)輸出功率，需要BOP輔助系統(tǒng)工作，如空壓機(jī)、氫泵、水泵、PTC等輔助部件工作時(shí)會消耗部分能量。燃料電池發(fā)動機(jī)在運(yùn)行時(shí)，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(jī)工作的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)。因此常用來考量燃料電池發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)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(jī)系統(tǒng)效率計(jì)算公式見式（1）。

（1）

式中：

——燃料電池發(fā)動機(jī)效率；

——燃料電池發(fā)動機(jī)輸出功率，單位kW；

——?dú)錃饬髁浚瑔挝籫/s；

——?dú)錃獾蜔嶂担?.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(shí)際消耗流量，單位為g/s。

燃料電池堆在該時(shí)間段內(nèi)氫氣排放率按下式計(jì)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(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)

燃料電池發(fā)動機(jī)在實(shí)車中運(yùn)行時(shí)，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(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)時(shí)如果單純以穩(wěn)態(tài)工況進(jìn)行分析時(shí)，并不能體現(xiàn)加減載、開機(jī)停機(jī)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(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)具有一定局限性，并不能完整反映在整車運(yùn)行狀態(tài)下燃料電池發(fā)動機(jī)的各項(xiàng)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)及特性。

為分析動態(tài)工況下燃料電池發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性特性，本文采用基于GB/T 34593-2017《燃料電池發(fā)動機(jī)氫氣排放測試方法》中的動態(tài)運(yùn)行工況進(jìn)行燃料電池發(fā)動機(jī)經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)計(jì)算。該動態(tài)工況共有36個(gè)工況點(diǎn)，循環(huán)工況時(shí)間累計(jì)1200s（不含加減載時(shí)間）。燃料電池發(fā)動機(jī)在熱機(jī)狀態(tài)下跟隨工況運(yùn)行，其中為保持嚴(yán)謹(jǐn)性，要求在每工況點(diǎn)穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)間與工況表中保持一致，拉載時(shí)間不做要求。本文以某款國產(chǎn)燃料電池發(fā)動機(jī)為例，在上位機(jī)中設(shè)置基于GB/T 34593-2017的動態(tài)運(yùn)行工況，燃料電池發(fā)動機(jī)根據(jù)運(yùn)行程序按標(biāo)準(zhǔn)要求的每個(gè)工況點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間拉載，同時(shí)上位機(jī)程序自行判斷穩(wěn)定時(shí)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(jī)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(jī)受加載及減載速率影響，整組工況運(yùn)行時(shí)間為1326 s，在每個(gè)穩(wěn)定點(diǎn)運(yùn)行時(shí)間均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。因動態(tài)工況過程中拉載功率實(shí)時(shí)變化，故以整個(gè)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(jìn)行計(jì)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(yùn)行工況下，燃料電池發(fā)動機(jī)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(shí)燃料電池發(fā)動機(jī)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(diǎn)為20%Pe，在60%Pe時(shí)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(jī)為例，分析燃料電池發(fā)動機(jī)的經(jīng)濟(jì)性指標(biāo)特性，主要計(jì)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(jì)性指標(biāo)表征。

（2）穩(wěn)態(tài)工況下，隨著燃料電池發(fā)動機(jī)運(yùn)行功率增加，系統(tǒng)效率在20%Pe達(dá)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(shí)氫氣排放率最低。

（3）動態(tài)工況下，該燃料電池發(fā)動機(jī)持續(xù)運(yùn)行1326 s，含加減載過程，整個(gè)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(jī)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(jì)性提供數(shù)據(jù)參考。

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