氢燃料电池发动机多种限功率工况的应用试验

【摘 要】氢燃料电池发动机主要由空气子系统、氢气子系统、冷却子系统等组成。各子系统均有各自不同的性能指标，当各自的性能指标均满足当前工况的要求时，燃料电池发动机才可以正常运行。当某个指标达不到当前要求但车辆仍然需要运行时，就需要进入限功率工况，保证车辆的基本功能正常运行。文章主要基于空气子系统、氢气子系统、冷却子系统等不同性能指标进行相应的限功率工况的应用测试。

【关键词】氢燃料电池发动机;限功率工况;测试;发动机性能

中图分类号：U469.72 文献标识码：A 文章编号：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

氢燃料电池作为一种清洁、高效的能源转换技术，具有广阔的应用前景和市场潜力。近年来中国政府正大力推动氢燃料电池技术的研发和应用，国内氢燃料电池电堆技术发展迅速，已接近国际领先水平。随着技术的进步和成本的降低，氢燃料电池的应用场景将更加广泛，特别是在商用车领域，如中卡、重卡、物流车、冷藏车、城市公交等，都有氢燃料电池的应用案例[1]。本文聚焦氢燃料电池发动机的特殊工况，即限功率工况，基于当前的城市公交用氢燃料电池发动机，在整车上进行相应的试验，并对氢燃料电池发动机性能相关的参数进行分析和评价。

1 氢燃料电池发动机基本参数

某城市公交用氢燃料电池发动机基本参数见表1。

2 燃料电池发动机子系统

2.1 空气子系统

空气子系统简要架构如图1所示。空气子系统的主要作用是为燃料电池发动机提供运行时必需的原料——氧气（O2），并保证空气压力满足当前运行需求，主要零部件有压缩机、背压阀、旁通阀等。其中压缩机的主要作用是将空气压缩后，在合适的压力下给电堆提供过量的氧气，而背压阀的作用是控制调节空气的实际压力[2]。空气子系统的主要性能指标有空气的实际流量和实际压力等。

2.2 氢气子系统

氢气子系统简要架构如图2所示。氢气子系统的主要功能是为燃料电池发动机提供运行时必需的原料——氢气（H2），在提供适量氢气的同时保证氢气子系统出入电堆的压力满足当前发动机运行的要求。该系统主要零部件有循环泵、开关阀、比例调压阀等，其中循环泵负责将未反应的氢气循环回到氢气进电堆入口，提高氢气的利用率和系统效率，开关阀和比例调压阀起到供氢和减压（调压）的作用，将储氢瓶中高压（35～70MPa）的氢气调节到适合进入电堆反应的压力。氢气子系统的主要性能指标为氢气进入电堆的压力。

2.3 冷却子系统

冷却子系统简要架构如图3所示。氢燃料电池冷却子系统是燃料电池系统中至关重要的部分，其主要功能是对电堆进行热管理，确保电堆在最佳的工作温度范围内运行。其通过冷却液循环和散热器的散热作用，将电堆产生的热量及时带走，防止电堆温度过高或过低，保证其在最佳的工作温度范围内运行，并且能够防止因温度高导致质子交换膜过干，提高电堆的性能和使用寿命，所以冷却子系统最重要的参数就是冷却液进电堆和出电堆的温度。

3 试验结果分析

3.1 空气流量低限功率工况

氧气是燃料电池稳定发电运行的重要反应物。通常氧气直接从空气中获取，通过压缩机控制空气流量，背压阀控制空气压力进入电堆[3]。在燃料电池系统运行过程中，过量的氧气是保证稳定反应的必要条件，当氧气不足时，系统的效率会变低，这时若需求功率比较大，发动机基于当前的条件无法满足功率需求，则会进入限功率工况。基于上述情况，进行了以下试验，通过控制空气流量，记录发动机性能表现。空气流量低限功率工况性能表现如图4所示。

根据试验数据分析，当前空气流量下最大允许电流≥外部需求电流时，实际输出电流可满足外部需求;当前空气流量下最大允许电流<外部需求电流时，实际输出电流不被允许满足外部需求，此时实际输出电流以当前空气流量下最大允许电流为准，此时恒压状态下，发动机实际功率<外部需求功率。

3.2 氢气入堆压力低限功率工况

由氢气子系统的简要架构可知，当前氢气的主要来源为超高压气态储氢瓶，通常为35～70MPa。在燃料电池发电运行时，系统根据当前的功率要求，通过开关阀、比例调压阀对氢气压力进行控制，使得进入电堆的氢气能够满足当前的需求，其中最为关键的就是氢气的压力。当氢气压力过低时，电堆的质子交换膜的阻抗将会提高，影响电堆反应的效率，同时会影响燃料电池的功率输出[4-5]。所以，当氢气压力过低无法满足要求时，发动机则会进入限功率工况。基于此进行以下试验，通过控制氢气压力，记录发动机的性能表现，如图5所示。

根据试验数据分析，当实际氢气压力<需求氢气压力时，当前氢气压力下最大允许电流<外部需求电流，此时实际电流会跟随当前氢气压力下最大允许电流，逐渐下降，发动机输出功率小于外部需求功率;当实际氢气压力≥需求氢气压力时，当前氢气压力下最大允许电流>外部需求电流，此时实际电流会跟随外部需求电流，发动机输出功率可以满足外部需求功率。

3.3 冷却液出堆温度高限功率工况

根据冷却子系统在燃料电池发动机的作用，选取冷却液出堆温度作为冷却子系统的典型性能参数，即本次冷却子系统的限功率工况的控制变量。在燃料电池发动机运行时，系统根据当前的温度需求，通过控制水泵、散热器、风扇、三通阀等对冷却液出入堆温度进行控制，保证电堆在合理的温度范围工作，所以当冷却液温度异常时，燃料电池发动机会进入限功率工况，基于此进行以下试验，通过控制冷却液出堆温度，记录发动机的性能表现，如图6所示。

根据试验数据分析，当冷却液出堆实际温度>冷却液出堆需求温度时，当前冷却液出堆温度下最大允许电流<外部需求电流，并以某个斜率开始下降，此时实际输出电流=当前冷却液出堆温度下最大允许电流，发动机输出功率<外部需求功率;当冷却液出堆实际温度<冷却液出堆需求温度时，当前冷却液出堆温度下最大允许电流>外部需求电流，此时燃料电池发动机按照外部需求电流进行拉载，实际输出电流逐渐跟随达到外部需求电流。

4 结论

本文以城市公交用氢燃料电池发动机为试验对象，根据其空气子系统、氢气子系统、冷却子系统的不同性能指标进行了限功率工况的相关试验，并总结分析了发动机性能参数在限功率工况下的表现。

参考文献：

[1] 谭旭光，余卓平. 燃料电池商用车产业发展现状与展望[J]. 中国工程科学，2020，22（5）：152-158.

[2] 马明辉，李利斌，芦宇航，等. 燃料电池汽车用离心式空压机发展现状及趋势[J/OL]. 电池工业.https：//link.cnki.net/urlid/32.1448.TM.20240428.1645.002.

[3] 胡宾飞，周雅夫，连静，等. 车用燃料电池空气系统供气协同控制策略研究[J]. 汽车工程，2024，46（5）：842-851，873.

[4] 董文妍，陈向阳，杨子荣，等. 燃料电池汽车车载氢系统潜在失效模式及原因分析[J]. 消防科学与技术，2024，43（5）：716-721.

[5] 肖哲，王宇宁，赵国强，等. 燃料电池汽车动力系统匹配及能量管理[J]. 江苏大学学报（自然科学版），2024，45（3）：273-280.

（编辑 凌 波）

作者简介张鹏（1999—），男，主要从事企业燃料电池软件测试验证工作。