質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)*

袁永先 吳 波 劉長(zhǎng)振 董江峰 徐光輝 陳曉飛 任慶霜

（中國北方發(fā)動(dòng)機(jī)研究所(天津)天津 300400）

引言

從能源的利用效率和環(huán)境保護(hù)方面來看，氫燃料電池被認(rèn)為是車用動(dòng)力源理想的能量來源。目前，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要以氫空質(zhì)子交換膜燃料電池為主。

在軍用領(lǐng)域，特別是在高強(qiáng)度、高技術(shù)條件下的局部軍事沖突和反恐斗爭(zhēng)已經(jīng)成為我國主要戰(zhàn)爭(zhēng)模式的新形勢(shì)下，陸軍特種作戰(zhàn)裝備以及無人作戰(zhàn)平臺(tái)等對(duì)車載電源能量密度、隱蔽性、運(yùn)行時(shí)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(shù)優(yōu)勢(shì)。氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(yōu)勢(shì)[3-4]。相比噪聲大、紅外熱信號(hào)顯著的傳統(tǒng)汽、柴油發(fā)電機(jī)，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)在作戰(zhàn)中可以更好地隱藏自己，反偵察能力強(qiáng)，在對(duì)噪聲、紅外輻射要求較高的軍用車輛上應(yīng)用優(yōu)勢(shì)明顯，能夠提高軍用車輛在戰(zhàn)爭(zhēng)中的隱蔽性和生存力[5]。另外，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)反應(yīng)快、運(yùn)行可靠性高、維護(hù)方便，能量利用效率高[6]。用氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)取代傳統(tǒng)柴油發(fā)電機(jī)，可構(gòu)成一個(gè)沒有排煙、低噪聲、零排放的清潔高效輔機(jī)電站，也可作為應(yīng)急照明電源、通訊指揮系統(tǒng)電源、防空?qǐng)?bào)警器電源等各種移動(dòng)式電源[7]。

因此，作為備用電源或新型動(dòng)力源的氫燃料電池發(fā)電技術(shù)，在軍事領(lǐng)域的應(yīng)用引起了軍方極大的興趣。

針對(duì)軍事應(yīng)用需求背景，有必要開展氫燃料電池發(fā)電技術(shù)研究，為提高我軍的作戰(zhàn)能力及達(dá)到多種軍事目的提供支撐。

1 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)

1.1 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的組成

本項(xiàng)目氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要由氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、質(zhì)子交換膜燃料電池電堆以及水熱管理系統(tǒng)和相應(yīng)的控制系統(tǒng)構(gòu)成（包括各種泵、閥體、傳感器和控制器），系統(tǒng)組成如圖1 所示。

圖1 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)組成圖

1.2 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)

本項(xiàng)目氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)

1.3 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)原理圖

圖2 為本項(xiàng)目氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)原理框圖。

圖2 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)原理圖

高壓氫氣通過減壓、調(diào)壓后，進(jìn)入燃料電池陽極參加反應(yīng)，電子通過外電路進(jìn)人陰極，形成電流。空氣在陰極反應(yīng)生成水。燃料電池電堆反應(yīng)后的氫、水混合物從氫氣管道出口流出，大部分未反應(yīng)的氫氣被氫循環(huán)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(jù)需要經(jīng)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?jǐn)?shù)），滿足國家標(biāo)準(zhǔn)要求。水熱管理系統(tǒng)的熱管理必須保證把電化學(xué)反應(yīng)生成的熱量及時(shí)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(xué)反應(yīng)生成的水及時(shí)排出，并對(duì)進(jìn)入電堆的空氣進(jìn)行有效加濕。

1.4 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)分析

1.4.1 總體方案

根據(jù)項(xiàng)目參數(shù)需求，結(jié)合國內(nèi)外技術(shù)研究現(xiàn)狀，并參考國內(nèi)外較為成熟的燃料電池系統(tǒng)的總體布置及各子系統(tǒng)的特點(diǎn)，本項(xiàng)目氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)總體布置方式采用集中與分布式相結(jié)合的方式，即根據(jù)整車的可使用空間，氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)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(jīng)濟(jì)性及方便性，氧化劑采用空氣，冷卻劑采用去離子水（低溫時(shí)按比例加入乙二醇）。

根據(jù)反應(yīng)氣壓力，燃料電池系統(tǒng)可以分為高壓燃料電池系統(tǒng)和低壓燃料電池系統(tǒng)。空氣供給系統(tǒng)中的空氣壓縮機(jī)是整個(gè)燃料電池系統(tǒng)噪聲的主要來源。研究表明，在高壓燃料電池發(fā)電系統(tǒng)中，輸出功率的20%～30%被用于空氣壓縮機(jī)[8]。因此，考慮本項(xiàng)目的功率、效率與噪聲指標(biāo)要求，確定采用低壓氫燃料電池系統(tǒng)方案。

進(jìn)入電堆的反應(yīng)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(tǒng)輸出電壓范圍：50～150 V,可根據(jù)需要另配變壓裝置進(jìn)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(zhì)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(yùn)行溫度，以減少電堆的紅外輻射溫度。

1.4.3 水熱管理系統(tǒng)

水熱管理系統(tǒng)主要指冷卻循環(huán)系統(tǒng)。冷卻系統(tǒng)采用閉式強(qiáng)制冷卻方式，為了盡快升高系統(tǒng)溫度，提高系統(tǒng)效率，并在氣溫零下時(shí)能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行加熱，采用大小循環(huán)結(jié)構(gòu)（采用電機(jī)式節(jié)溫器），在小循環(huán)中串聯(lián)PTC 電加熱器（有助于燃料電池低溫啟動(dòng)），同時(shí)采用膨脹水箱進(jìn)行放氣和補(bǔ)水，減小整個(gè)水熱管理系統(tǒng)的熱容[9]。

1.4.4 空氣供給系統(tǒng)

空氣增壓采用鼓風(fēng)機(jī)加壓方式，鼓風(fēng)機(jī)功耗低，適用于小功率（＜30 kW）燃料電池系統(tǒng)。其電源直接取自電堆輸出，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)、噪聲小，有利于滿足項(xiàng)目噪聲指標(biāo)要求。通過調(diào)節(jié)鼓風(fēng)機(jī)端電壓即可調(diào)節(jié)其轉(zhuǎn)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(duì)干的進(jìn)氣進(jìn)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(chǔ)與供給系統(tǒng)

儲(chǔ)氫系統(tǒng)采用70 MPa 的高壓儲(chǔ)氫罐，因此供氫系統(tǒng)可以兼容35 MPa 儲(chǔ)氫罐。供氫壓力通過2 級(jí)減壓閥來實(shí)現(xiàn)降壓與穩(wěn)壓。采用氫氣循環(huán)泵來循環(huán)利用過量的氫氣。過量的氫氣一方面保證電化學(xué)反應(yīng)的充分進(jìn)行，另一方面帶走陽極的水分及雜質(zhì)氣體，經(jīng)過汽水分離裝置，大部分氫氣通過氫循環(huán)泵循環(huán)利用，少量氫氣、雜質(zhì)氣體、水經(jīng)排氫閥、排水閥排出系統(tǒng)外。

1.4.6 控制系統(tǒng)

電控方案硬件部分主要包含系統(tǒng)主控制器（FCU）、傳感器、執(zhí)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(jī)等通過CAN 網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行通訊交互，實(shí)現(xiàn)燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)、運(yùn)行等狀態(tài)的控制與監(jiān)測(cè)，并在運(yùn)行過程中進(jìn)行動(dòng)態(tài)能量管理以及故障處理。

主控制器是整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的大腦，它負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)電系統(tǒng)主要參數(shù)設(shè)計(jì)

1.5.1 空氣供給量

根據(jù)電堆參數(shù)計(jì)算空氣流量：

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

本項(xiàng)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(tǒng)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(jìn)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(shí)的壓降為15 kPa；根據(jù)空氣濾清器的流量預(yù)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(cè)試數(shù)據(jù)見表2。

表2 加濕器壓降的廠家測(cè)試數(shù)據(jù)表MPa

根據(jù)表2 所示的加濕器壓降的廠家測(cè)試數(shù)據(jù)可知，滿足流量需求時(shí)的壓降約為4 kPa；電堆前管路壓降預(yù)估為0.5 kPa，電堆后管路壓降預(yù)估為0.5 kPa，因此，總壓降約為20 kPa。

1.5.3 鼓風(fēng)機(jī)參數(shù)

根據(jù)阻力特性參數(shù)計(jì)算，鼓風(fēng)機(jī)壓比為1.2；根據(jù)鼓風(fēng)機(jī)特性，其最大消耗功率約為1.3 kW，鼓風(fēng)機(jī)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(jù)電堆的實(shí)際工作電壓選取）；F 為法拉利常數(shù)，C/mol。

本項(xiàng)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(shù)取1.2，則氫氣總流量為224.5L/min。

1.5.5 水熱系統(tǒng)參數(shù)

根據(jù)研究，質(zhì)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(tǒng)發(fā)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(tǒng)帶走的熱量為20 kW。冷卻循環(huán)水量可按下式計(jì)算：

式中：Vw為冷卻循環(huán)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(nèi)的溫差，℃。

本項(xiàng)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(jì)算得出冷卻循環(huán)水量為2 457 L/h。

冷卻系統(tǒng)設(shè)計(jì)工況：

1）環(huán)境溫度≤45 ℃，最高取45 ℃；

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

3）冷卻系統(tǒng)冷卻介質(zhì)電導(dǎo)率維持在5.0 μs/cm以下；

4）冷卻介質(zhì)為50%乙二醇水溶液。

1.6 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)性能仿真

采用基于Matlab 的Simulink 工具對(duì)氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)進(jìn)行系統(tǒng)性能模擬計(jì)算。圖3 為氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)仿真模型。

圖3 氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)仿真模型

1.6.1 空氣供給系統(tǒng)

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

1）鼓風(fēng)機(jī)建模。

根據(jù)陰極流阻特性，電堆陰極與鼓風(fēng)機(jī)出口之間的壓差Δp 和陰極控制質(zhì)量流量滿足：

式中：S 代表陰極流道和加濕器進(jìn)口的流阻之和。

同時(shí)，鼓風(fēng)機(jī)流量與鼓風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速滿足正比關(guān)系：

2）加濕器建模。

根據(jù)廠家提供的加濕器特性，可按下式計(jì)算出加濕器流阻：

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

1.6.2 氫氣供給系統(tǒng)

氫氣供給系統(tǒng)為高壓源，可由減壓閥、穩(wěn)壓閥將氫氣壓力保持在0.13 MPa。

1.6.3 熱管理系統(tǒng)

1）電堆模型

以電堆供應(yīng)商所提供的極化曲線為參考，采用機(jī)理建模及參數(shù)擬合相結(jié)合的方式進(jìn)行電堆模型建模。基于已知數(shù)據(jù)，對(duì)電堆參數(shù)進(jìn)行擬合。擬合極化曲線時(shí)，空氣流量保證過氧比為1.8，進(jìn)口濕度為60%，電堆溫度為定常溫度75 ℃。擬合的曲線與實(shí)驗(yàn)曲線的對(duì)比如圖4 所示。

圖4 電堆極化曲線

結(jié)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(shù)據(jù)，進(jìn)而仿真計(jì)算系統(tǒng)在陰極壓力為0.125 MPa 下的功率、效率，并進(jìn)行分析，預(yù)測(cè)系統(tǒng)性能。

電堆是影響整個(gè)系統(tǒng)的熱源，只要電堆在工作，系統(tǒng)中就會(huì)不斷地產(chǎn)生熱。因此，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行散熱。電堆冷卻液的循環(huán)將熱帶走，經(jīng)過外部風(fēng)扇與外界環(huán)境進(jìn)行熱交換。

對(duì)于電堆自身來說，熱平衡公式如下：

式中：Mst為電堆的質(zhì)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(xué)產(chǎn)熱功率，kW；為冷卻液的質(zhì)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(yáng)程的特性曲線如圖5 所示。

圖5 水泵特性曲線

水泵的轉(zhuǎn)速與流量之間成線性關(guān)系，根據(jù)水泵最大最小轉(zhuǎn)速以及對(duì)應(yīng)的流量最大最小值，可以確定該線性關(guān)系如下：

式中：Qcol為水泵的流量，L/h；npump為水泵的轉(zhuǎn)速，r/min；k、b 為常數(shù)。

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(yáng)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(huán)境溫度，℃；Tave為散熱器內(nèi)冷卻水平均溫度，℃；為風(fēng)扇流量，kg/h；Cp_air為空氣的比熱，kcal/（kg·℃）。

穩(wěn)態(tài)時(shí)，風(fēng)扇的散熱量應(yīng)該與冷卻水的散熱量相等，即：

因此，風(fēng)扇帶走熱量的多少影響著電堆進(jìn)出口冷卻液的溫度，進(jìn)而影響電堆的溫度。

1.6.4 電壓模型

對(duì)于燃料電池電堆的電化學(xué)過程而言，電池電壓主要為可逆電動(dòng)勢(shì)減去電池內(nèi)部極化。電池的可逆電動(dòng)勢(shì)與反應(yīng)物的活度相關(guān)，可以用能斯特方程描述。電池內(nèi)部極化又分為濃差極化、電化學(xué)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(huán)境下，可以計(jì)算得到標(biāo)準(zhǔn)濃度下的電極電勢(shì)：

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

通過公式（11）計(jì)算，可得E0=1.195。

于是，能斯特電壓表達(dá)式最后確定為：

式中：R 為通用氣體常數(shù)；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(jù)電化學(xué)動(dòng)力學(xué)原理，巴特勒伏爾摩極化為：

式中：a 為傳輸系數(shù)，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(zhì)子在膜內(nèi)受到的阻力可以用面電阻表征，面電阻對(duì)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(zhì)子交換膜的厚度以及電導(dǎo)率有關(guān)，即：

式中：δmem為質(zhì)子交換膜厚度，mm；σmem為質(zhì)子交換膜的電導(dǎo)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(tǒng)仿真結(jié)果

通過所建立的模型，仿真計(jì)算得到燃料電池電堆輸出功率、系統(tǒng)輸出功率以及系統(tǒng)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(tǒng)輸出功率曲線

圖9 系統(tǒng)效率曲線

效率的計(jì)算公式如下：

式中：ηst為電堆電壓效率；ηsys為系統(tǒng)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(fēng)機(jī)功耗，kW，由鼓風(fēng)機(jī)特性數(shù)據(jù)知，Pblower=1.3 kW；Ppump為水泵功耗，kW，通過計(jì)算，Ppump=0.129 kW；Phydrogen_pump為氫循環(huán)泵功耗，kW，Phydrogen_pump=0.4 kW。

根據(jù)電堆供應(yīng)商提供的電堆極化曲線，電堆在其0.125 MPa 相應(yīng)的操作條件下，效率較低。通過優(yōu)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(tǒng)輸出功率為17.6 kW（見圖8），滿足電堆功率大于18 kW、系統(tǒng)輸出功率大于15 kW 的需求。電堆功率最大可以達(dá)到21 kW，系統(tǒng)輸出功率最大可以達(dá)到19 kW，均出現(xiàn)在190 A 電流附近。當(dāng)電堆電流大于190 A 時(shí)，功率和效率均急劇下降，均低于40%。

根據(jù)電堆的極化特性，隨著電流的增大，電堆電勢(shì)下降，造成系統(tǒng)非體積功損耗，產(chǎn)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(shì)急劇下降，電堆熱功率急劇升高。此時(shí)，系統(tǒng)對(duì)散熱系統(tǒng)的散熱能力要求增加。如果不能及時(shí)散熱，電堆溫度較難穩(wěn)定，出現(xiàn)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(tǒng)不要超175A 運(yùn)行。

2 結(jié)論

根據(jù)軍事應(yīng)用適應(yīng)性需求分析及項(xiàng)目指標(biāo)要求，制定了系統(tǒng)原理圖，并對(duì)主要參數(shù)進(jìn)行了匹配計(jì)算、分析，確定了氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)的總體方案及各子系統(tǒng)技術(shù)方案。通過仿真計(jì)算，初步驗(yàn)證了電堆及系統(tǒng)的功率、效率指標(biāo)，滿足預(yù)期性能要求。下一步，通過仿真優(yōu)化及臺(tái)架性能試驗(yàn)，進(jìn)一步測(cè)試系統(tǒng)的噪聲、紅外輻射溫度等性能，驗(yàn)證氫燃料電池發(fā)電系統(tǒng)方案的可行性及軍用適應(yīng)性。