氫燃料電池發動機多種限功率工況的應用試驗

【摘 要】氫燃料電池發動機主要由空氣子系統、氫氣子系統、冷卻子系統等組成。各子系統均有各自不同的性能指標，當各自的性能指標均滿足當前工況的要求時，燃料電池發動機才可以正常運行。當某個指標達不到當前要求但車輛仍然需要運行時，就需要進入限功率工況，保證車輛的基本功能正常運行。文章主要基于空氣子系統、氫氣子系統、冷卻子系統等不同性能指標進行相應的限功率工況的應用測試。

【關鍵詞】氫燃料電池發動機;限功率工況;測試;發動機性能

中圖分類號：U469.72 文獻標識碼：A 文章編號：1003-8639（ 2024 ）09-0014-02

Application Test of Hydrogen Fuel Cell Engine under Various Power Limiting Conditions

ZHANG Peng，HAN Fuqiang，WANG Pengcheng，ZHAO Xuan

（Weichai Power Co.，LTD.，Weifang 261061，China）

【Abstract】Hydrogen fuel cell engine is mainly composed of air subsystem，hydrogen subsystem and cooling subsystem. Each subsystem has its own different performance indicators，when the respective performance indicators meet the requirements of the current working condition，the fuel cell engine can run normally. When a certain indicator does not meet the current requirements but the vehicle still needs to run，it is necessary to enter the limited power condition to ensure the normal operation of the basic functions of the vehicle. Based on the different performance indexes of air subsystem，hydrogen subsystem and cooling subsystem，the paper conducts the corresponding application test of the limited power condition.

【Key words】hydrogen fuel cell engine;limited power condition;test;engine performance

氫燃料電池作為一種清潔、高效的能源轉換技術，具有廣闊的應用前景和市場潛力。近年來中國政府正大力推動氫燃料電池技術的研發和應用，國內氫燃料電池電堆技術發展迅速，已接近國際領先水平。隨著技術的進步和成本的降低，氫燃料電池的應用場景將更加廣泛，特別是在商用車領域，如中卡、重卡、物流車、冷藏車、城市公交等，都有氫燃料電池的應用案例[1]。本文聚焦氫燃料電池發動機的特殊工況，即限功率工況，基于當前的城市公交用氫燃料電池發動機，在整車上進行相應的試驗，并對氫燃料電池發動機性能相關的參數進行分析和評價。

1 氫燃料電池發動機基本參數

某城市公交用氫燃料電池發動機基本參數見表1。

2 燃料電池發動機子系統

2.1 空氣子系統

空氣子系統簡要架構如圖1所示。空氣子系統的主要作用是為燃料電池發動機提供運行時必需的原料——氧氣（O2），并保證空氣壓力滿足當前運行需求，主要零部件有壓縮機、背壓閥、旁通閥等。其中壓縮機的主要作用是將空氣壓縮后，在合適的壓力下給電堆提供過量的氧氣，而背壓閥的作用是控制調節空氣的實際壓力[2]。空氣子系統的主要性能指標有空氣的實際流量和實際壓力等。

2.2 氫氣子系統

氫氣子系統簡要架構如圖2所示。氫氣子系統的主要功能是為燃料電池發動機提供運行時必需的原料——氫氣（H2），在提供適量氫氣的同時保證氫氣子系統出入電堆的壓力滿足當前發動機運行的要求。該系統主要零部件有循環泵、開關閥、比例調壓閥等，其中循環泵負責將未反應的氫氣循環回到氫氣進電堆入口，提高氫氣的利用率和系統效率，開關閥和比例調壓閥起到供氫和減壓（調壓）的作用，將儲氫瓶中高壓（35～70MPa）的氫氣調節到適合進入電堆反應的壓力。氫氣子系統的主要性能指標為氫氣進入電堆的壓力。

2.3 冷卻子系統

冷卻子系統簡要架構如圖3所示。氫燃料電池冷卻子系統是燃料電池系統中至關重要的部分，其主要功能是對電堆進行熱管理，確保電堆在最佳的工作溫度范圍內運行。其通過冷卻液循環和散熱器的散熱作用，將電堆產生的熱量及時帶走，防止電堆溫度過高或過低，保證其在最佳的工作溫度范圍內運行，并且能夠防止因溫度高導致質子交換膜過干，提高電堆的性能和使用壽命，所以冷卻子系統最重要的參數就是冷卻液進電堆和出電堆的溫度。

3 試驗結果分析

3.1 空氣流量低限功率工況

氧氣是燃料電池穩定發電運行的重要反應物。通常氧氣直接從空氣中獲取，通過壓縮機控制空氣流量，背壓閥控制空氣壓力進入電堆[3]。在燃料電池系統運行過程中，過量的氧氣是保證穩定反應的必要條件，當氧氣不足時，系統的效率會變低，這時若需求功率比較大，發動機基于當前的條件無法滿足功率需求，則會進入限功率工況。基于上述情況，進行了以下試驗，通過控制空氣流量，記錄發動機性能表現。空氣流量低限功率工況性能表現如圖4所示。

根據試驗數據分析，當前空氣流量下最大允許電流≥外部需求電流時，實際輸出電流可滿足外部需求;當前空氣流量下最大允許電流<外部需求電流時，實際輸出電流不被允許滿足外部需求，此時實際輸出電流以當前空氣流量下最大允許電流為準，此時恒壓狀態下，發動機實際功率<外部需求功率。

3.2 氫氣入堆壓力低限功率工況

由氫氣子系統的簡要架構可知，當前氫氣的主要來源為超高壓氣態儲氫瓶，通常為35～70MPa。在燃料電池發電運行時，系統根據當前的功率要求，通過開關閥、比例調壓閥對氫氣壓力進行控制，使得進入電堆的氫氣能夠滿足當前的需求，其中最為關鍵的就是氫氣的壓力。當氫氣壓力過低時，電堆的質子交換膜的阻抗將會提高，影響電堆反應的效率，同時會影響燃料電池的功率輸出[4-5]。所以，當氫氣壓力過低無法滿足要求時，發動機則會進入限功率工況。基于此進行以下試驗，通過控制氫氣壓力，記錄發動機的性能表現，如圖5所示。

根據試驗數據分析，當實際氫氣壓力<需求氫氣壓力時，當前氫氣壓力下最大允許電流<外部需求電流，此時實際電流會跟隨當前氫氣壓力下最大允許電流，逐漸下降，發動機輸出功率小于外部需求功率;當實際氫氣壓力≥需求氫氣壓力時，當前氫氣壓力下最大允許電流>外部需求電流，此時實際電流會跟隨外部需求電流，發動機輸出功率可以滿足外部需求功率。

3.3 冷卻液出堆溫度高限功率工況

根據冷卻子系統在燃料電池發動機的作用，選取冷卻液出堆溫度作為冷卻子系統的典型性能參數，即本次冷卻子系統的限功率工況的控制變量。在燃料電池發動機運行時，系統根據當前的溫度需求，通過控制水泵、散熱器、風扇、三通閥等對冷卻液出入堆溫度進行控制，保證電堆在合理的溫度范圍工作，所以當冷卻液溫度異常時，燃料電池發動機會進入限功率工況，基于此進行以下試驗，通過控制冷卻液出堆溫度，記錄發動機的性能表現，如圖6所示。

根據試驗數據分析，當冷卻液出堆實際溫度>冷卻液出堆需求溫度時，當前冷卻液出堆溫度下最大允許電流<外部需求電流，并以某個斜率開始下降，此時實際輸出電流=當前冷卻液出堆溫度下最大允許電流，發動機輸出功率<外部需求功率;當冷卻液出堆實際溫度<冷卻液出堆需求溫度時，當前冷卻液出堆溫度下最大允許電流>外部需求電流，此時燃料電池發動機按照外部需求電流進行拉載，實際輸出電流逐漸跟隨達到外部需求電流。

4 結論

本文以城市公交用氫燃料電池發動機為試驗對象，根據其空氣子系統、氫氣子系統、冷卻子系統的不同性能指標進行了限功率工況的相關試驗，并總結分析了發動機性能參數在限功率工況下的表現。

參考文獻：

[1] 譚旭光，余卓平. 燃料電池商用車產業發展現狀與展望[J]. 中國工程科學，2020，22（5）：152-158.

[2] 馬明輝，李利斌，蘆宇航，等. 燃料電池汽車用離心式空壓機發展現狀及趨勢[J/OL]. 電池工業.https：//link.cnki.net/urlid/32.1448.TM.20240428.1645.002.

[3] 胡賓飛，周雅夫，連靜，等. 車用燃料電池空氣系統供氣協同控制策略研究[J]. 汽車工程，2024，46（5）：842-851，873.

[4] 董文妍，陳向陽，楊子榮，等. 燃料電池汽車車載氫系統潛在失效模式及原因分析[J]. 消防科學與技術，2024，43（5）：716-721.

[5] 肖哲，王宇寧，趙國強，等. 燃料電池汽車動力系統匹配及能量管理[J]. 江蘇大學學報（自然科學版），2024，45（3）：273-280.

（編輯 凌 波）

作者簡介張鵬（1999—），男，主要從事企業燃料電池軟件測試驗證工作。