燃料電池余熱利用系統(tǒng)開發(fā)及試驗(yàn)分析

劉煥東 董小楊 張晉維 銀銘強(qiáng) 鄭文龍 趙越

濰柴動力股份有限公司 山東省濰坊市 261061

1 引言

燃料電池汽車具有零排放、效率高、續(xù)駛里程長和加氫時間短等諸多優(yōu)勢，是國家新能源汽車產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中的重要技術(shù)路線，其在重型商用車領(lǐng)域優(yōu)勢明顯、發(fā)展前景巨大。將氫氣作為能源，符合我國降低化石能源對外依存度、實(shí)現(xiàn)“3060 碳達(dá)峰碳中和”目標(biāo)等能源體系轉(zhuǎn)型的需要。2020 年9 月，財(cái)政部等五部門發(fā)布《關(guān)于開展燃料電池汽車示范應(yīng)用的通知》，燃料電池汽車行業(yè)迎來快速發(fā)展期。截止2020 年底，我國燃料電池汽車保有量已達(dá)1 萬臺，燃料電池汽車相關(guān)技術(shù)的重要度越來越高。

以氫氣作為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具備效率高、環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、維護(hù)簡單等優(yōu)點(diǎn)，是目前最適合汽車使用的燃料電池類型。質(zhì)子交換膜燃料電池運(yùn)行平均效率約50%，這意味著其發(fā)電量和發(fā)熱量基本相等甚至發(fā)電量（功率）會超過發(fā)熱量，圖1 是廣州汽車集團(tuán)股份有限公司測試的燃料電池發(fā)熱量和電堆功率的曲線。

圖1 電堆發(fā)電量與功率曲線

整車乘客艙在冬季需求有較大的采暖量，在北方寒冷地區(qū)這一采暖需求更加顯著，當(dāng)前燃料電池車輛在北方運(yùn)營基本是沿用的純電動車輛的取暖設(shè)施，即采用冷暖空調(diào)或者PTC 電加熱方式，而取電的來源都是燃料電池系統(tǒng)，因此燃料電池車輛北方冬季運(yùn)行時氫耗會大幅增加，表1 是北方北方某城市燃料電池公交車能耗/ 氫耗統(tǒng)計(jì)情況。如何結(jié)合整車采暖需求將燃料電池發(fā)熱量回收利用是等效提高燃料電池效率并加快燃料電池商業(yè)化推廣應(yīng)用的重要手段。

表1 北方某城市燃料電池公交車能耗/ 氫耗統(tǒng)計(jì)

目前行業(yè)中對燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的研究較多，而燃料電池余熱利用相關(guān)的研究還比較少，潘越課題組研究了基于燃料電池余熱利用的能量管理策略，劉耐特課題組研究了基于余熱利用的燃料電池客車能量模糊控制策略研究，上述課題主要是面向于仿真技術(shù)及控制策略的研究，對具體的余熱利用方案結(jié)構(gòu)、實(shí)際效果等方面沒有深入研究。

為此，本文從實(shí)際應(yīng)用角度出發(fā)，設(shè)計(jì)直暖和換熱器兩種方案將燃料電池余熱用于整車采暖，并測試對比兩種方案的采暖功率和實(shí)際效果，對將燃料電池余熱用于整車采暖的相關(guān)技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)起到重要的支持和推動作用。

2 余熱利用系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)

燃料電池冷卻液在雙極板中流轉(zhuǎn)，而雙極板是燃料電池高壓電傳輸?shù)妮d體，為確保燃料電池汽車的高壓絕緣性能，要求采用去離子防凍液，余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)中需要考慮盡量減少向冷卻液中釋放離子。由于燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部化學(xué)反應(yīng)需要穩(wěn)定的溫度環(huán)境，導(dǎo)致其要求冷卻液入口溫度保持在一個恒定的范圍，一般要求正負(fù)不超過2℃，燃料電池余熱利用系統(tǒng)需要首先保證此溫度精準(zhǔn)控制要求。燃料電池內(nèi)部工作溫度一般在70-80℃，冷卻液溫度也基本在這一范圍，溫度相對內(nèi)燃機(jī)冷卻液低，因此設(shè)計(jì)中要考慮液-氣溫差變小這一因素。在滿足上述要求的情況下，燃料電池余熱利用系統(tǒng)需要盡量提高余熱利用功率并降低控制復(fù)雜度?？紤]上述設(shè)計(jì)要求，項(xiàng)目組開發(fā)了直暖方案、換熱器方案兩套余熱利用系統(tǒng)：

2.1 直暖方案

參考傳統(tǒng)柴油車暖風(fēng)方案，將燃料電池電池冷卻液直接引入暖風(fēng)系統(tǒng)，同時為滿足燃料電池冷卻液入口溫度恒定的要求，需要增加一個電控三通閥來進(jìn)行冷卻液分配調(diào)節(jié)，繼而實(shí)現(xiàn)燃料電池入口溫度智能調(diào)控，方案原理見圖2，電控三通閥見圖3，暖風(fēng)散熱器見圖4。

圖2 直暖方案原理圖

圖3 電控三通閥

圖4 暖風(fēng)散熱器

2.2 換熱器方案

考慮原車暖風(fēng)散熱器可能會有較多離子析出，同時考慮減少防凍液使用和對原車暖風(fēng)系統(tǒng)改動最小等因素，設(shè)計(jì)換熱器方案，通過換熱器實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，而換熱器內(nèi)通過物理方式完全隔開燃料電池冷卻液和水暖系統(tǒng)介質(zhì)，方案原理見圖5。

圖5 換熱器方案原理圖

此方案中換熱器是關(guān)鍵的部件，項(xiàng)目組結(jié)合車輛的需求設(shè)計(jì)一款換熱器，熱水側(cè)換熱功率≥20kW（熱水側(cè)150L/min，80 ℃，冷水側(cè)30L/min,50 ℃），換熱器如圖6 所示。

圖6 換熱器

3 臺架測試

為了驗(yàn)證換熱器性能，首先對換熱器本體臺架測試：按照熱水側(cè)入口溫度65 ℃、70 ℃、75 ℃、80 ℃，流量150L/min，冷水側(cè)進(jìn)水溫度50℃下，測試換熱器換熱量。在此測試條件下，根據(jù)測試數(shù)據(jù)利用公式計(jì)算此時換熱器換熱量最大可達(dá)22.6kW。

Q w=0.0 6*V w*γ w*C p w* (t w 1-tw2)

Qw——暖風(fēng)裝置放熱量，kW

Vw——熱水體積流量，L/min

γw——熱水的密度，kg/m

Cpw——熱水的比熱容，0.001163kW h/(kg·℃)

tw1——進(jìn)水溫度，℃

tw2——出水溫度，℃

項(xiàng)目組分別針對直暖方案、換熱器兩種方案進(jìn)行測試，測試按照模擬燃料電池冷卻液出口處溫度分別為65 ℃、70 ℃、75℃、80℃，在120L/min 流量條件下，環(huán)境溫度為室溫20℃，具體試驗(yàn)方案及照片如下。

3.1 直暖方案臺架測試

利用試驗(yàn)臺架模擬燃料電池，模擬余熱利用直暖方案，試驗(yàn)方案和現(xiàn)場圖片見圖7。

圖7 直暖方案臺架測試示意圖

3.2 換熱器方案臺架測試

利用試驗(yàn)臺架模擬燃料電池，模擬余熱利用系統(tǒng)直暖方案，試驗(yàn)方案和現(xiàn)場圖片見圖8。

圖8 換熱器方案臺架測試示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)試驗(yàn)測試，臺架出口冷卻液溫度80℃下，換熱器方案中由于換熱器內(nèi)兩路液體熱量不能完全交換并且換熱器對環(huán)境也有一定的熱輻射損失，導(dǎo)致此方案對應(yīng)的余熱利用功率相對較低，為13kW；直暖方案余熱利用功率可以達(dá)到16kW，比換熱器方案高約23%。

5 結(jié)論

本文針對燃料電池余熱利用系統(tǒng)設(shè)計(jì)了直暖和換熱器兩種方案，并對其分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及對比分析，根據(jù)結(jié)果分析可知兩種方案余熱利用功率均可以達(dá)到13kW 以上，余熱利用效果明顯，對降低燃料電池車輛冬季氫氣消耗量繼而降低整車運(yùn)營成本有重要作用；并且直暖方案比換熱器方案余熱利用功率高約23%，但直暖方案需要增加電控三通閥并針對性開發(fā)相對較復(fù)雜的控制策略，綜合成本較高，具體實(shí)車應(yīng)用可結(jié)合本文數(shù)據(jù)并綜合考慮成本等因素再做選擇。