燃料電池機車熱管理系統建模和動態分析

郭 愛， 陳維榮， 劉志祥， 李 奇

(西南交通大學電氣工程學院，四川 成都610031)

燃料電池是一種不經過燃燒過程，直接將燃料的化學能轉換為電能的發電裝置，具有環保、高效的特點，已成為世界能源領域的研發熱點.其中，質子交換膜燃料電池具有工作溫度低(50 ～100 ℃)、能量轉換效率高(＞40%)、快速啟動等特點，已應用在分布式電站、航空航天、移動通訊、電動汽車、鐵路機車等［1-2］.

以質子交換膜燃料電池為動力源的燃料電池機車，需要配空氣壓縮機、氫氣回流泵、冷卻水循環泵、散熱器和電控設備，構成機車燃料電池系統.在機車燃料電池系統中，為保證燃料電池處于最佳工作狀態，系統的熱管理至關重要.事實上，溫度對燃料電池系統性能及可靠性有重要的影響［3］. 在燃料電池內部，氫氧發生化學反應和電荷移動會產生熱量，從而使電堆內部溫度升高，加快化學反應和電堆內水分子活度，提高膜的含水量，改善膜的導電率，因而溫度升高有利于提高電池的性能. 然而PEMFC 的電解質膜是一種有機膜，耐溫有限，同時考慮膜的含水性問題，因而工作溫度不能高過100 ℃.此外，如果燃料電池的工作溫度過高，不僅膜容易脆化受損，而且加快催化劑降解速度從而縮短燃料電池的使用壽命［4］.

目前，對于燃料電池機車國內外已取得了一些研究成果［5-6］.文獻［7-8］研究了用于城市和軍事基地鐵路的燃料電池機車的整體結構，以燃料電池和蓄電池的混合驅動結構為機車動力源，質子交……