劉煥東 董小楊 張晉維 銀銘強(qiáng) 鄭文龍 趙越

濰柴動(dòng)力股份有限公司 山東省濰坊市 261061

1 引言

燃料電池汽車(chē)具有零排放、效率高、續(xù)駛里程長(zhǎng)和加氫時(shí)間短等諸多優(yōu)勢(shì)，是國(guó)家新能源汽車(chē)產(chǎn)業(yè)規(guī)劃中的重要技術(shù)路線，其在重型商用車(chē)領(lǐng)域優(yōu)勢(shì)明顯、發(fā)展前景巨大。將氫氣作為能源，符合我國(guó)降低化石能源對(duì)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(mén)發(fā)布《關(guān)于開(kāi)展燃料電池汽車(chē)示范應(yīng)用的通知》，燃料電池汽車(chē)行業(yè)迎來(lái)快速發(fā)展期。截止2020 年底，我國(guó)燃料電池汽車(chē)保有量已達(dá)1 萬(wàn)臺(tái)，燃料電池汽車(chē)相關(guān)技術(shù)的重要度越來(lái)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(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是目前最適合汽車(chē)使用的燃料電池類(lèi)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(huì)超過(guò)發(fā)熱量，圖1 是廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司測(cè)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(chē)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(chē)輛在北方運(yùn)營(yíng)基本是沿用的純電動(dòng)車(chē)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(lái)源都是燃料電池系統(tǒng)，因此燃料電池車(chē)輛北方冬季運(yùn)行時(shí)氫耗會(huì)大幅增加，表1 是北方北方某城市燃料電池公交車(chē)能耗/ 氫耗統(tǒng)計(jì)情況。如何結(jié)合整車(chē)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(chē)能耗/ 氫耗統(tǒng)計(jì)

目前行業(yè)中對(duì)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(chē)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(duì)具體的余熱利用方案結(jié)構(gòu)、實(shí)際效果等方面沒(méi)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(chē)采暖，并測(cè)試對(duì)比兩種方案的采暖功率和實(shí)際效果，對(duì)將燃料電池余熱用于整車(chē)采暖的相關(guān)技術(shù)研究與產(chǎn)品開(kāi)發(fā)起到重要的支持和推動(dòng)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(chē)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(gè)恒定的范圍，一般要求正負(fù)不超過(guò)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(duì)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(kāi)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(chē)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(shí)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(gè)電控三通閥來(lái)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(jiàn)圖2，電控三通閥見(jiàn)圖3，暖風(fēng)散熱器見(jiàn)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(chē)暖風(fēng)散熱器可能會(huì)有較多離子析出，同時(shí)考慮減少防凍液使用和對(duì)原車(chē)暖風(fēng)系統(tǒng)改動(dòng)最小等因素，設(shè)計(jì)換熱器方案，通過(guò)換熱器實(shí)現(xiàn)熱量的傳遞，而換熱器內(nèi)通過(guò)物理方式完全隔開(kāi)燃料電池冷卻液和水暖系統(tǒng)介質(zhì)，方案原理見(jiàn)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(chē)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(tái)架測(cè)試

為了驗(yàn)證換熱器性能，首先對(duì)換熱器本體臺(tái)架測(cè)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(cè)試換熱器換熱量。在此測(cè)試條件下，根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)利用公式計(jì)算此時(shí)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(duì)直暖方案、換熱器兩種方案進(jìn)行測(cè)試，測(cè)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(tái)架測(cè)試

利用試驗(yàn)臺(tái)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(chǎng)圖片見(jiàn)圖7。

圖7 直暖方案臺(tái)架測(cè)試示意圖

3.2 換熱器方案臺(tái)架測(cè)試

利用試驗(yàn)臺(tái)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(chǎng)圖片見(jiàn)圖8。

圖8 換熱器方案臺(tái)架測(cè)試示意圖

4 試驗(yàn)結(jié)果與分析

經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試，臺(tái)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(duì)環(huán)境也有一定的熱輻射損失，導(dǎo)致此方案對(duì)應(yīng)的余熱利用功率相對(duì)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(duì)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(duì)其分別進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證及對(duì)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(duì)降低燃料電池車(chē)輛冬季氫氣消耗量繼而降低整車(chē)運(yùn)營(yíng)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(duì)性開(kāi)發(fā)相對(duì)較復(fù)雜的控制策略，綜合成本較高，具體實(shí)車(chē)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。