燃料电池机车热管理系统建模和动态分析

郭 爱， 陈维荣， 刘志祥， 李 奇

(西南交通大学电气工程学院，四川 成都610031)

燃料电池是一种不经过燃烧过程，直接将燃料的化学能转换为电能的发电装置，具有环保、高效的特点，已成为世界能源领域的研发热点.其中，质子交换膜燃料电池具有工作温度低(50 ～100 ℃)、能量转换效率高(＞40%)、快速启动等特点，已应用在分布式电站、航空航天、移动通讯、电动汽车、铁路机车等［1-2］.

以质子交换膜燃料电池为动力源的燃料电池机车，需要配空气压缩机、氢气回流泵、冷却水循环泵、散热器和电控设备，构成机车燃料电池系统.在机车燃料电池系统中，为保证燃料电池处于最佳工作状态，系统的热管理至关重要.事实上，温度对燃料电池系统性能及可靠性有重要的影响［3］. 在燃料电池内部，氢氧发生化学反应和电荷移动会产生热量，从而使电堆内部温度升高，加快化学反应和电堆内水分子活度，提高膜的含水量，改善膜的导电率，因而温度升高有利于提高电池的性能. 然而PEMFC 的电解质膜是一种有机膜，耐温有限，同时考虑膜的含水性问题，因而工作温度不能高过100 ℃.此外，如果燃料电池的工作温度过高，不仅膜容易脆化受损，而且加快催化剂降解速度从而缩短燃料电池的使用寿命［4］.

目前，对于燃料电池机车国内外已取得了一些研究成果［5-6］.文献［7-8］研究了用于城市和军事基地铁路的燃料电池机车的整体结构，以燃料电池和蓄电池的混合驱动结构为机车动力源，质子交……