质子交换膜燃料电池发电系统设计*

袁永先 吴 波 刘长振 董江峰 徐光辉 陈晓飞 任庆霜

（中国北方发动机研究所(天津)天津 300400）

引言

从能源的利用效率和环境保护方面来看，氢燃料电池被认为是车用动力源理想的能量来源。目前，氢燃料电池发电系统主要以氢空质子交换膜燃料电池为主。

在军用领域，特别是在高强度、高技术条件下的局部军事冲突和反恐斗争已经成为我国主要战争模式的新形势下，陆军特种作战装备以及无人作战平台等对车载电源能量密度、隐蔽性、运行时间和可靠性等都提出了更高的要求[1-2]。

燃料电池在满足军事需求方面有着特别的技术优势。氢燃料电池发电系统不仅工作效率高，而且具有高隐蔽性：低噪声、低红外辐射温度等优势[3-4]。相比噪声大、红外热信号显著的传统汽、柴油发电机，氢燃料电池发电系统在作战中可以更好地隐藏自己，反侦察能力强，在对噪声、红外辐射要求较高的军用车辆上应用优势明显，能够提高军用车辆在战争中的隐蔽性和生存力[5]。另外，氢燃料电池发电系统反应快、运行可靠性高、维护方便，能量利用效率高[6]。用氢燃料电池发电系统取代传统柴油发电机，可构成一个没有排烟、低噪声、零排放的清洁高效辅机电站，也可作为应急照明电源、通讯指挥系统电源、防空报警器电源等各种移动式电源[7]。

因此，作为备用电源或新型动力源的氢燃料电池发电技术，在军事领域的应用引起了军方极大的兴趣。

针对军事应用需求背景，有必要开展氢燃料电池发电技术研究，为提高我军的作战能力及达到多种军事目的提供支撑。

1 氢燃料电池发电系统

1.1 氢燃料电池发电系统的组成

本项目氢燃料电池发电系统主要由氢气供给系统、空气供给系统、质子交换膜燃料电池电堆以及水热管理系统和相应的控制系统构成（包括各种泵、阀体、传感器和控制器），系统组成如图1 所示。

图1 氢燃料电池发电系统组成图

1.2 氢燃料电池发电系统主要参数

本项目氢燃料电池发电系统的主要参数如表1所示。

表1 氢燃料电池发电系统主要参数

1.3 氢燃料电池发电系统原理图

图2 为本项目氢燃料电池发电系统原理框图。

图2 氢燃料电池发电系统原理图

高压氢气通过减压、调压后，进入燃料电池阳极参加反应，电子通过外电路进人阴极，形成电流。空气在阴极反应生成水。燃料电池电堆反应后的氢、水混合物从氢气管道出口流出，大部分未反应的氢气被氢循环泵增压后，返回燃料电池电堆氢气管道入口被重新利用，少部分氢气根据需要经排氢电磁阀排放至混合器。混合器的主要功能是使电堆阴极排出的空气稀释阳极排出的少量氢气,使从混合器出口排入大气的氢气浓度小于4%（体积分数），满足国家标准要求。水热管理系统的热管理必须保证把电化学反应生成的热量及时带走，维持电堆在恒定的温度下工作；水管理必须保证电化学反应生成的水及时排出，并对进入电堆的空气进行有效加湿。

1.4 氢燃料电池发电系统方案设计分析

1.4.1 总体方案

根据项目参数需求，结合国内外技术研究现状，并参考国内外较为成熟的燃料电池系统的总体布置及各子系统的特点，本项目氢燃料电池发电系统总体布置方式采用集中与分布式相结合的方式，即根据整车的可使用空间，氢燃料电池发电系统主体模块集中安装，其它辅助零部件（如氢瓶、散热器等）分布安装的方式。

考虑到经济性及方便性，氧化剂采用空气，冷却剂采用去离子水（低温时按比例加入乙二醇）。

根据反应气压力，燃料电池系统可以分为高压燃料电池系统和低压燃料电池系统。空气供给系统中的空气压缩机是整个燃料电池系统噪声的主要来源。研究表明，在高压燃料电池发电系统中，输出功率的20%～30%被用于空气压缩机[8]。因此，考虑本项目的功率、效率与噪声指标要求，确定采用低压氢燃料电池系统方案。

进入电堆的反应气中，空气采用加湿器加湿，满足阴极空气湿度需求。

氢燃料电池系统输出电压范围：50～150 V,可根据需要另配变压装置进行升降压处理。如需交流电，增加逆变装置处理。

1.4.2 电堆

采用低压（0.125 MPa）操作的质子交换膜燃料电池电堆模块。电堆采用低压操作，降低电堆的运行温度，以减少电堆的红外辐射温度。

1.4.3 水热管理系统

水热管理系统主要指冷却循环系统。冷却系统采用闭式强制冷却方式，为了尽快升高系统温度，提高系统效率，并在气温零下时能对系统进行加热，采用大小循环结构（采用电机式节温器），在小循环中串联PTC 电加热器（有助于燃料电池低温启动），同时采用膨胀水箱进行放气和补水，减小整个水热管理系统的热容[9]。

1.4.4 空气供给系统

空气增压采用鼓风机加压方式，鼓风机功耗低，适用于小功率（＜30 kW）燃料电池系统。其电源直接取自电堆输出，运转平稳、噪声小，有利于满足项目噪声指标要求。通过调节鼓风机端电压即可调节其转速，改变空气供给流量。空气增湿方式采用气-气膜增湿方式，选用气-气膜加湿器，利用电堆阴极排出的湿空气对干的进气进行加湿，空气过滤器集成消声器，以降低噪声。

1.4.5 氢气存储与供给系统

储氢系统采用70 MPa 的高压储氢罐，因此供氢系统可以兼容35 MPa 储氢罐。供氢压力通过2 级减压阀来实现降压与稳压。采用氢气循环泵来循环利用过量的氢气。过量的氢气一方面保证电化学反应的充分进行，另一方面带走阳极的水分及杂质气体，经过汽水分离装置，大部分氢气通过氢循环泵循环利用，少量氢气、杂质气体、水经排氢阀、排水阀排出系统外。

1.4.6 控制系统

电控方案硬件部分主要包含系统主控制器（FCU）、传感器、执行器以及通讯线路的连接，各传感器的信息采样与控制由主控制器完成，通过线束与控制器连接起来，控制器与零部件及上位机等通过CAN 网络进行通讯交互，实现燃料电池系统启动、运行等状态的控制与监测，并在运行过程中进行动态能量管理以及故障处理。

主控制器是整个燃料电池系统的大脑，它负责对整个发动机功能模块的控制以及与其他控制器的通信。

1.5 氢燃料电池发电系统主要参数设计

1.5.1 空气供给量

根据电堆参数计算空气流量：

式中：Vg为空气流量，L/min；λ 为空气当量比；Ncell为电堆单电池片数；Ist为电堆电流，A；F 为法拉第常数，C/mol。

本项目中，λ=2；Ncell=160；Ist=155 A；F=96 485 C/mol。代入公式（1），得到Vg=823 L/min。考虑系统有10%的过载能力，因此，空气流量为905 L/min。

空气滤清器的流量取额定工况下进气量的1.2倍，即823×1.2=988 L/min。

1.5.2 阻力特性估算

电堆模块阻力特性由电堆合作方提供，最大空气流量时的压降为15 kPa；根据空气滤清器的流量预估其压降为0.5 kPa；加湿器选用气-气膜加湿器，其压降的厂家测试数据见表2。

表2 加湿器压降的厂家测试数据表MPa

根据表2 所示的加湿器压降的厂家测试数据可知，满足流量需求时的压降约为4 kPa；电堆前管路压降预估为0.5 kPa，电堆后管路压降预估为0.5 kPa，因此，总压降约为20 kPa。

1.5.3 鼓风机参数

根据阻力特性参数计算，鼓风机压比为1.2；根据鼓风机特性，其最大消耗功率约为1.3 kW，鼓风机的流量为905 L/min。

1.5.4 氢气供给量

氢气流量：

式中：Pe为电堆输出功率，W；Uc为单片工作电压，V（根据电堆的实际工作电压选取）；F 为法拉利常数，C/mol。

本项目中，Pe=18 000 W；Uc=0.67V；F=96 485 C/mol。代入公式（2），mH2=187.1 L/min。

氢气过量系数取1.2，则氢气总流量为224.5L/min。

1.5.5 水热系统参数

根据研究，质子交换膜燃料电池（PEMFC）额定工况电堆的最大效率一般为50%左右，为保证15 kW的系统发电功率，初步选定采用20 kW 的PEMFC 电堆。因此，燃料电池冷却系统带走的热量为20 kW。冷却循环水量可按下式计算：

式中：Vw为冷却循环水量，L/h；Qw为冷却水带走的热量，kW；Cw为冷却水的比热，kcal/（kg·℃）；ρw为冷却水的密度，kg/L；Δtw为冷却水在燃料电池电堆内的温差，℃。

本项目中，Qw=20 kW=172 00 kcal/h；Cw=1.0 kcal/（kg·℃）；ρw=1.0 kg/L；Δtw=7 ℃。代入公式（3），计算得出冷却循环水量为2 457 L/h。

冷却系统设计工况：

1）环境温度≤45 ℃，最高取45 ℃；

2）散热量为20 kW，燃料电池进出口水温分别为65 ℃和75 ℃，冷却介质最高回水温度确定为不超过80 ℃；

3）冷却系统冷却介质电导率维持在5.0 μs/cm以下；

4）冷却介质为50%乙二醇水溶液。

1.6 氢燃料电池发电系统性能仿真

采用基于Matlab 的Simulink 工具对氢燃料电池发电系统进行系统性能模拟计算。图3 为氢燃料电池发电系统仿真模型。

图3 氢燃料电池发电系统仿真模型

1.6.1 空气供给系统

空气供给系统包括空气滤清器（air filter）、鼓风机（blower）以及气-气增湿器（G2G）。

1）鼓风机建模。

根据阴极流阻特性，电堆阴极与鼓风机出口之间的压差Δp 和阴极控制质量流量满足：

式中：S 代表阴极流道和加湿器进口的流阻之和。

同时，鼓风机流量与鼓风机转速满足正比关系：

2）加湿器建模。

根据厂家提供的加湿器特性，可按下式计算出加湿器流阻：

式中：ρ 为加湿器的流阻系数；Δp 为加湿器进出口压差，MPa；为空气流量，kg/h。

1.6.2 氢气供给系统

氢气供给系统为高压源，可由减压阀、稳压阀将氢气压力保持在0.13 MPa。

1.6.3 热管理系统

1）电堆模型

以电堆供应商所提供的极化曲线为参考，采用机理建模及参数拟合相结合的方式进行电堆模型建模。基于已知数据，对电堆参数进行拟合。拟合极化曲线时，空气流量保证过氧比为1.8，进口湿度为60%，电堆温度为定常温度75 ℃。拟合的曲线与实验曲线的对比如图4 所示。

图4 电堆极化曲线

结果表明，拟合方法有效，单片电压误差不超出15 mV。基于拟合出的数据，进而仿真计算系统在阴极压力为0.125 MPa 下的功率、效率，并进行分析，预测系统性能。

电堆是影响整个系统的热源，只要电堆在工作，系统中就会不断地产生热。因此，需要对系统进行散热。电堆冷却液的循环将热带走，经过外部风扇与外界环境进行热交换。

对于电堆自身来说，热平衡公式如下：

式中：Mst为电堆的质量，kg；Cps为电堆的比热，kcal/（kg·℃）；为电堆温度变化率，℃/h；Cp_col为冷却液的比热，kcal/（kg·℃）；Qreact为电化学产热功率，kW；为冷却液的质量流量，kg/h；T1为电堆冷却液入口温度，℃；T2为电堆冷却液出口温度，℃。

2）水泵热模型。

水泵流量与扬程的特性曲线如图5 所示。

图5 水泵特性曲线

水泵的转速与流量之间成线性关系，根据水泵最大最小转速以及对应的流量最大最小值，可以确定该线性关系如下：

式中：Qcol为水泵的流量，L/h；npump为水泵的转速，r/min；k、b 为常数。

因此，可以建模如图6 所示。

图6 水泵模型

其中，flow2pump 模块是为了避免因水泵流量过大造成的扬程不足。

3）散热器模型。

散热器的散热特性采用下式表征：

式中：Qradiator为散热器散热功率，kW；Tamb为环境温度，℃；Tave为散热器内冷却水平均温度，℃；为风扇流量，kg/h；Cp_air为空气的比热，kcal/（kg·℃）。

稳态时，风扇的散热量应该与冷却水的散热量相等，即：

因此，风扇带走热量的多少影响着电堆进出口冷却液的温度，进而影响电堆的温度。

1.6.4 电压模型

对于燃料电池电堆的电化学过程而言，电池电压主要为可逆电动势减去电池内部极化。电池的可逆电动势与反应物的活度相关，可以用能斯特方程描述。电池内部极化又分为浓差极化、电化学极化以及欧姆极化。

1）能斯特电压。

考虑到电堆工作于70～85 ℃环境下，可以计算得到标准浓度下的电极电势：

式中：E0为电极电势，V；ΔG0为吉布斯自由能，J/mol；F 为法拉利常数，C/mol。

通过公式（11）计算，可得E0=1.195。

于是，能斯特电压表达式最后确定为：

式中：R 为通用气体常数；Tst为电堆温度，℃;为氢气活度，mol/L；为氧气活度，mol/L[10-11]。

2）巴特勒伏尔摩极化。

根据电化学动力学原理，巴特勒伏尔摩极化为：

式中：a 为传输系数，取为0.5；jst为电流密度，A/m2；为参考浓度下的参考交换电流密度，A/m2；为催化层氧气浓度，%[10-11]。

3）欧姆极化。

质子在膜内受到的阻力可以用面电阻表征，面电阻对电压的影响可以表示为：

式中：ηohmic为欧姆极化；ist为电流密度，A/m2；ASRmem为面电阻，Ω[10-11]。

面电阻与质子交换膜的厚度以及电导率有关，即：

式中：δmem为质子交换膜厚度，mm；σmem为质子交换膜的电导率，μS/cm[10-11]。

综上所述，燃料电池的电压可以表征为：

1.6.5 燃料电池系统仿真结果

通过所建立的模型，仿真计算得到燃料电池电堆输出功率、系统输出功率以及系统效率曲线分别如图7、图8 以及图9 所示。

图7 电堆输出功率曲线

图8 系统输出功率曲线

图9 系统效率曲线

效率的计算公式如下：

式中：ηst为电堆电压效率；ηsys为系统效率；ηpurge为排氢消耗效率，取为定值ηpurge=0.96；Vcell为电池单片电压，V；Vst为电堆电压，V；Ist为电堆电流，A；Pblower为鼓风机功耗，kW，由鼓风机特性数据知，Pblower=1.3 kW；Ppump为水泵功耗，kW，通过计算，Ppump=0.129 kW；Phydrogen_pump为氢循环泵功耗，kW，Phydrogen_pump=0.4 kW。

根据电堆供应商提供的电堆极化曲线，电堆在其0.125 MPa 相应的操作条件下，效率较低。通过优化电堆操作条件，可以使额定工况（155 A）的电堆功率为19.4 kW（见图7），系统输出功率为17.6 kW（见图8），满足电堆功率大于18 kW、系统输出功率大于15 kW 的需求。电堆功率最大可以达到21 kW，系统输出功率最大可以达到19 kW，均出现在190 A 电流附近。当电堆电流大于190 A 时，功率和效率均急剧下降，均低于40%。

根据电堆的极化特性，随着电流的增大，电堆电势下降，造成系统非体积功损耗，产生的热量增加。且在大电流密度下，电堆极化主要由浓差极化造成，电势急剧下降，电堆热功率急剧升高。此时，系统对散热系统的散热能力要求增加。如果不能及时散热，电堆温度较难稳定，出现功率快速下降的情况。

综上所述，考虑到电堆的效率以及耐久性，并考虑操作裕量，推荐电堆操作的最大电流为175A，系统不要超175A 运行。

2 结论

根据军事应用适应性需求分析及项目指标要求，制定了系统原理图，并对主要参数进行了匹配计算、分析，确定了氢燃料电池发电系统的总体方案及各子系统技术方案。通过仿真计算，初步验证了电堆及系统的功率、效率指标，满足预期性能要求。下一步，通过仿真优化及台架性能试验，进一步测试系统的噪声、红外辐射温度等性能，验证氢燃料电池发电系统方案的可行性及军用适应性。