某燃料电池汽车热平衡测试研究

王志军 闫美如 梁荣亮 郭婷 李志国

1.中汽研汽车检验中心（天津）有限公司 天津市 300300 2.中国汽车技术研究中心有限公司 天津市 300300

1 前言

近年来环境污染日益加重，为减少污染，新能源车越来越普及，而氢能汽车是很好的方向。燃料电池汽车是电动汽车的一个重要分支，随着2015 年日本丰田的燃料电池车MIRAI 开始在日本及北美市场销售，国内外诸多研究人员的深入研究，我国也正式由实验室研究阶段转向产业化阶段，其燃料电池发动机与锂电池相比，具有低温启动性好、寿命长、重量轻、续驶里程长、加氢时间短、对环境无污染 等特点，大规模的氢资源，燃料电池发动机发展潜力巨大。

党中央提出要在2035 年之前达到碳达峰、2060 年前达到碳中和的战略目标，在“双碳”战略背景下，政府对新能源汽车的发展高度重视。北京冬奥会上千辆燃料电池汽车的示范运行，会推动燃料电池汽车的销量进一步增长。未来10 年将是燃料电池技术成本的下降期，非常有利于燃料电池汽车的普及发展。质子交换膜燃料电池电堆（以下简称电堆）是在一定温度、湿度与压力的条件下，将氧气与氢气在催化剂的作用下产生电能的系统。

2 燃料电池电堆热管理简介

电堆系统是燃料电池汽车动力系统的心脏，主要由空气系统、氢气系统、水热管理系统以及控制系统等构成。其中水热管理系统包括水泵、电池三通阀、电加热器、散热器总成、去离子器等装置构成。

燃料电池中热量来自4 个方面:①电池的不可逆性而产生的化学反应热;②欧姆极化而产生的焦耳热;③加湿气体带入的热量;④吸收环境辐射热量。电堆内部工作温度对于其性能有很大影响，当燃料电池发动机的内部工作温度升高时，会对电堆产生如下影响：①温度升高，使H、O的扩散系数加大，改善了电极内气体传质。②温度升高，使催化剂 Pt 的活性提高，反应速率加快。③温度升高，使电化学反应的速度加快，电子在MEA 电极内运动加快，使质子H+传递速度加快，从而减小电化学极化现象，可获得较大电流。④温度升高，使质子交换膜内水扩散系数增加，因此，阴极电化学反应生成的水向阳极扩散的速度加快，从而使质子交换膜内水分布均匀。⑤温度过高，使质子交换膜脱水、收缩甚至破裂，不仅使电池电导率下降，还会降低电池的使用寿命。;当电堆内部温度低时，电池内部极化现象增强，欧姆阻抗也会随之增大，从而导致电池性能的下降。保持电堆内部温度处于适宜的温度范围，一般为60—90℃，是电堆热管理系统的重要设计要求。

燃料电池汽车对热管理的设计较之于传统内燃机要求更高，因为燃料电池汽车尾排气体的温度大约为70℃，远远低于传统内燃机尾排气体的温度，尾排只能带走大概3%左右的热量；另外电堆内部温度一般为80℃左右，远远低于传统内燃机的温度，因此辐射带走的热量也很少。电堆大部分热量都需要通过冷却系统带走。

在进行燃料电池热管理系统设计时，应考虑以下几点：①更大的散热器。如果一个散热器太大而无法布置，可以分成两个或多个散热器。②冷凝器不应放在散热器前。冷凝器中的空气被加热到较高的温度，会影响后面散热器的热交换。③风机应布置在散热器后面，有利于保持气流速度，便于带走热量。④应保持足够的距离，以避免引起热量的聚集。

考查燃料电池汽车在高温下的工作情况，尤其是燃料电池电堆在高温条件下是否工作正常，是燃料电池汽车研发过程中的必要环节。通常考查汽车的高温性能试验是在高温地域如新疆吐鲁番或者海南岛进行，或者在环境舱（带转毂环境舱或者不带转毂的环境舱）内进行。本文将通过在不带转毂的环境舱内进行燃料电池汽车的高温试验，以考查燃料电池汽车能否在高温环境下正常工作以及电堆进出水温的变化情况。

3 试验设计与测试方案

3.1 试验样车

本文选择一款燃料电池公交车进行试验，后面简称为样车。样车参数表如表1所示。

表1 样车基本情况表

3.2 试验方案

本次试验在中汽研汽车检验中心（天津）有限公司进行，使用静态环境舱进行环境模拟，并通过Vector 软件调节电堆功率并维持一段时间，观察样车及电堆是否工作正常。制定如下试验方案。

1）试验前调整动力电池SOC 状态至一个较低的状态，因为在试验过程中，样车静止不动，电堆产生的电量会不断输送至动力电池，避免因为动力电池SOC 较高出现无法充电，从而导致电堆停机的情况。

2）将样车放置在环境舱内，将环境舱温度调整至45℃并保持该温度，浸车2 小时后开始试验。

3）将电堆以36kW 的功率运行，试验过程中空调等用电器件处于运行状态，监控电堆进水口温度、出水口温度、电堆功率等参数，如果试验过程中样车及电堆系统出现故障，则将环境温度降低至40℃，继续进行试验；如果依然有故障出现，则降低电堆的功率继续试验。

4）如果试验过程中样车及电堆没有出现故障，则将逐次提升电堆的功率，每次持续运行一段时间，检查样车及电堆工作是否异常，是否出现故障。

4 试验结果及分析

4.1 电堆功率36kW 的运行情况

当电堆的出水温度与环境温度45 ℃相差不超过1 ℃时，起动电堆并调节至36kW,并持续运行66min，在试验过程中样车及电堆均工作正常，无故障产生。

从图1 中可以看到，在电堆起动时刻，电堆进水温度43℃，电堆出水温度44℃。随着电堆运行的持续，电堆的进出水温度持续升温，在持续运行至660s 后，电堆的进出水温度达到相对稳定的状态，此时电堆的进水温度为69℃，电堆的出水温度为74℃，在运行至2700s 时，电堆的进出水温度达到稳定状态，此时电堆的进水温度为72℃，电堆的出水温度为77℃，此时的温差为5℃，并一直保持不变。

图1 电堆功率及电堆进出水温度变化曲线

4.2 电堆功率46kW 的运行情况

样车及电堆在36kW 功率下运行66 分钟，工作正常，无故障产生，将电堆功率提升至46kW，并持续运行25 分钟，期间样车及电堆运转正常，无故障产生。从图2 中可以看到，电堆进出水的温度先逐渐升高，当达到顶峰后，在缓慢下降直至维持在一个稳定的温度范围内。在400s 时，电堆的进出水的温度达到最大，电堆的进水温度为70℃，电堆的出水温度是77℃，此时的温差为7 ℃。在800s 的时候，进出水的温度达到稳定，电堆的进水温度是67℃。电堆的出水温度是74℃，此时的温差维持在7℃左右。

图2 电堆功率及电堆进出水温度变化曲线

4.3 电堆功率58kW 的运行情况

样车及电堆在46kW 功率下运行25 分钟，工作正常，无故障，将电堆功率调节至58kW，并持续运行20 分钟，期间样车及电堆运转正常，无故障产生。

从图3 中可以看到，电堆进出水的温度逐渐升高，达到定点后逐渐降低，然后维持在一个稳定的温度范围内。在160s 时，电堆的进出水温度达到最高，电堆的进水温度为72℃，电堆的出水温度为80℃，此时的温差为8℃。在280s 时，电堆进出水温度达到稳定，此时电堆的进水温度为70℃，电堆的出水温度为79℃，此时的温差为9℃，并保持不变。

图3 电堆功率及电堆进出水温度变化曲线

4.4 电堆功率65kW 的运行情况

图4 电堆功率及电堆进出水温度变化曲线

样车及电堆在58kW 功率下运行20 分钟，工作正常、无故障，将电堆功率调节至71kW，维持250s 后，考虑电堆的额定功率为60kW，提升至71kW 有些激进，遂将电堆功率降至65kW，并维持24 分钟，期间样车及电堆工作正常，无故障产生。当把电堆的功率提升至71kw 的过程中，电堆的进出水温度迅速升高，在320s时，电堆的进出水的温度达到最高，此时电堆的进水温度为73℃，电堆的出水温度为82℃，此时的温差为9℃，在将电堆的功率调整至65kw 时，电堆的出水温度略有下降，降至81℃，电堆的出水温度略有下降，降至72℃。在1200s 时，电堆的进出水温度维持在稳定的水平，此时的电堆进水温度是73℃，出水温度是82℃，温差为9℃。

4.5 电堆在不同功率下达到热平衡时的温度

表2 是电堆在不同输出功率情况下，电堆进出水达到平衡时的温度，从表中可以看到电堆进出水的温差均小于10℃，在电堆功率为36kW 时，进出水的温差为5℃。在进行电堆冷却系统设计时，要求电堆内部各部分温度基本一致，以保证其工作性能，为了提高电堆内部温度的均匀性，避免电堆内部不同部分的温差过高，一般要求电堆进出水温差不大于10℃，最好小于5℃，同时温差也不能太小，以免出现冷却能力不足的情况。

表2 电堆不同功率下的进出水温度

5 总结

本文选择一款燃料电池公交车在静态环境舱内进行45 ℃高温试验，不断提升燃料电池电堆的输出功率，燃料电池堆的输出功率在36kW，46kW、58kW 以及65kW 情况下，样车及燃料电池系统均工作正常，未发生故障。同时记录了电堆进出水的温度变化情况，在进出水温度平衡的条件下，记录电堆进出水的温差，温差处于10℃以内。