車用PEMFC電堆低溫起動(dòng)試驗(yàn)研究*

李友才,許思傳,楊志剛

(1.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，鄭州 450007；2.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804)

前言

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)工作溫度低，適宜于較頻繁起動(dòng)的場(chǎng)合，并具有工作效率高、功率密度大、環(huán)境友好和續(xù)駛里程長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此被認(rèn)為是車用燃料電池的最佳選擇，有望成為取代目前汽車動(dòng)力的動(dòng)力源之一[1]。但在低于0℃的環(huán)境下，由于燃料電池電堆停機(jī)后其內(nèi)有殘存的水存在，這些殘存的水很快結(jié)成冰，從而造成電堆的陰陽(yáng)極流道阻塞，并且水結(jié)成冰其體積增大約11%，從而對(duì)燃料電池電堆的壽命和其低溫起動(dòng)特性造成嚴(yán)重的影響。因此對(duì)燃料電池電堆低溫起動(dòng)的研究有重要意義[2-3]。

1 車用燃料電池電堆低溫起動(dòng)平臺(tái)設(shè)計(jì)

依據(jù)燃料電池電堆(FCS)低溫起動(dòng)和停機(jī)控制策略[4]，并考慮燃料電池汽車前艙空間和能量需求等因素的限制，設(shè)計(jì)車用燃料電池電堆低溫起動(dòng)平臺(tái)，如圖1所示。用厚度為20mm的保溫材料將燃料電池電堆及其空氣供給系統(tǒng)、加濕器和冷卻液箱密封。由燃料電池電堆控制器監(jiān)測(cè)環(huán)境和電堆的溫度，當(dāng)電堆的溫度(電堆最冷電池陰極催化層的溫度)達(dá)到0℃時(shí)，F(xiàn)CS控制器向動(dòng)力電池發(fā)出指令，對(duì)冷卻液箱內(nèi)的電加熱器供電以對(duì)其內(nèi)的冷卻液加熱，且旁通閥打開，水泵冷卻液在電堆的小循環(huán)內(nèi)循環(huán)加熱電堆，直到電堆的溫度達(dá)到所設(shè)定的溫度值。同時(shí)，F(xiàn)CS控制器監(jiān)測(cè)氫瓶?jī)?nèi)的氫氣壓力或液態(tài)氫液面的高度。

電堆經(jīng)過數(shù)次加熱循環(huán)之后，當(dāng)動(dòng)力電池的容量等于或低于設(shè)定值SOCref，其剩余的容量不能完成下一次對(duì)電堆的加熱時(shí)，立即向FCS控制器發(fā)出指令，F(xiàn)CS控制器計(jì)算并判斷高壓氫瓶?jī)?nèi)的氫氣壓力或液態(tài)氫液面的高度是否滿足燃料電池電堆低負(fù)荷工作的要求。若能滿足，F(xiàn)CS控制器即刻向燃料電池電堆發(fā)送指令使其在小負(fù)荷工況下工作，對(duì)電堆自身和冷卻液進(jìn)行加熱，并向動(dòng)力電池進(jìn)行充電。當(dāng)電堆的溫度達(dá)到設(shè)定的溫度，且動(dòng)力電池已經(jīng)充滿時(shí)，F(xiàn)CS控制器發(fā)出指令，按低溫環(huán)境下的停機(jī)程序關(guān)閉FCS，保溫箱內(nèi)的冷卻液進(jìn)入保溫狀態(tài)。經(jīng)過一段時(shí)間，當(dāng)電堆溫度再次達(dá)到0℃時(shí)，F(xiàn)CS控制器發(fā)出指令，動(dòng)力電池向冷卻液箱內(nèi)的電加熱器供電，對(duì)其內(nèi)的液體進(jìn)行加熱[4]。

假設(shè)長(zhǎng)時(shí)間不起動(dòng)FCS，動(dòng)力電池的容量和氫瓶?jī)?nèi)的氫氣量都不能滿足低溫環(huán)境下長(zhǎng)時(shí)間的多次保溫和起動(dòng)加熱。在動(dòng)力電池充滿電的條件下，當(dāng)FCS控制器接到氫瓶?jī)?nèi)的氫氣壓力或液態(tài)氫液面的高度低于所規(guī)定值的指令時(shí)，在最后一次暖機(jī)后關(guān)閉FCS。對(duì)電堆的陰極流道吹掃88s，使電堆內(nèi)部殘存的去離子水最少[5-6]，同時(shí)，向用戶發(fā)出燃料不足和及時(shí)添加燃料的信號(hào)。

夏季環(huán)境下溫度升高，通過控制器使FCS低溫起動(dòng)模塊處于休眠模式，同時(shí)，將電堆和管路外表面的保溫材料拆除，確保高溫環(huán)境下燃料電池電堆系統(tǒng)工作時(shí)的散熱要求。

2 燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)

2.1 保溫

分別用20mm厚的軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和真空絕緣板(VIP)保溫材料密封電堆，并依次將密封的電堆放入-10℃環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行試驗(yàn)研究。將電堆加熱到80℃，并排空電堆內(nèi)部的冷卻液，從80℃開始保溫。采用軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP保溫材料時(shí)，電堆從80℃降到了0℃所需要的時(shí)間分別為23.4、33和45h，各自電堆平均溫度Tavg隨時(shí)間的降溫曲線如圖2所示。電堆內(nèi)部的熱量首先通過自然對(duì)流的方式傳到薄鋼板表面，在薄鋼板內(nèi)部進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱，然后傳到保溫材料的內(nèi)表面，在保溫材料內(nèi)部進(jìn)行傳導(dǎo)傳熱，最后保溫材料的外表面在環(huán)境艙內(nèi)通過強(qiáng)制對(duì)流的方式進(jìn)行換熱。同時(shí)，電堆內(nèi)部電池通過薄鋼板和保溫材料向環(huán)境艙內(nèi)進(jìn)行輻射換熱[7]。

軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP的導(dǎo)熱系數(shù)分別為0.043、0.033和0.004W/m·K。VIP的導(dǎo)熱系數(shù)最小。因此，用VIP密封電堆可使電堆從80℃降到0℃所需要的時(shí)間最長(zhǎng)，保溫效果最好。

2.2 FCS低溫起動(dòng)工況加載

設(shè)定環(huán)境溫度為-10℃，燃料電池電堆在上次停機(jī)后，對(duì)電堆陰極流道進(jìn)行88s吹掃，且用保溫材料密封電堆。當(dāng)電堆中最冷的電池陰極催化層的溫度達(dá)到0℃時(shí)，起動(dòng)燃料電池電堆加載，使燃料電池電堆進(jìn)入怠速暖機(jī)過程，如圖3所示。考慮暖機(jī)過程電堆自身的溫度較低，加載的功率呈階梯增加，并通過FCS控制器實(shí)時(shí)采集燃料電池電堆的動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)。FCS試驗(yàn)布置示意圖如圖4所示，試驗(yàn)設(shè)備如表1所示。

表1 FCS試驗(yàn)設(shè)備

負(fù)載電壓和電堆各模塊輸出電壓分別如圖5和圖6所示。當(dāng)電堆加載的功率變大時(shí)，其輸出電壓立即下降，這是由質(zhì)子交換膜燃料電池的輸出特性所決定的。電堆加載的功率越高，其輸出電流越高，而輸出電壓則越低。

由圖可見：在0～1 144s時(shí)間內(nèi)，雖然負(fù)載電壓和電堆各模塊的輸出電壓總的走勢(shì)是下降的，但在每個(gè)等功率加載的短暫階段，它們卻逐漸升高，因?yàn)槊總€(gè)階段加載的功率不變，而隨著電堆單電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，不斷有不可逆熱生成，不斷對(duì)電堆自身進(jìn)行加熱，使電堆的溫度逐漸升高；而單電池內(nèi)部極化損失變小，最終使負(fù)載電壓和電堆各模塊的的輸出電壓逐漸升高。

燃料電池電堆系統(tǒng)輔助功率隨時(shí)間的變化曲線如圖7所示。由圖可見：隨著加載功率的增大，單位時(shí)間內(nèi)需要通過風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)向電堆陰極入口供給的新鮮空氣增多，要求風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速或壓縮比升高，致使其所消耗的輔助功率增大；而當(dāng)電堆自身溫度達(dá)到所設(shè)定溫度時(shí)，水泵和風(fēng)扇開始運(yùn)轉(zhuǎn)，也使燃料電池電堆系統(tǒng)的輔助功率進(jìn)一步增大。

燃料電池電堆起動(dòng)后，隨著空氣和氫氣通過燃料供給系統(tǒng)不斷送入電堆的陰陽(yáng)極入口，電堆內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行。由于電堆自身存在著可逆與不可逆損失，這些損失以內(nèi)熱源的方式不斷對(duì)電堆自身進(jìn)行加熱，從而使電堆的溫度逐漸升高，圖8為電堆平均溫度隨時(shí)間的變化曲線圖。由圖可見：由于電堆在工作過程中短時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量較多，電堆外表面與環(huán)境的換熱對(duì)電堆自身溫度影響較小，所以隨著電堆加載功率的增大，電堆自身的溫度逐漸升高；當(dāng)電堆冷卻液出口溫度達(dá)到60℃時(shí)，F(xiàn)CS控制器發(fā)出指令，使電磁閥旁通，使熱的冷卻液進(jìn)入散熱器，同時(shí)風(fēng)扇開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)燃料電池電堆進(jìn)行冷卻，電堆自身的溫度開始下降，當(dāng)冷卻液出口溫度降到50℃時(shí)，風(fēng)扇停止運(yùn)轉(zhuǎn)，此后風(fēng)扇受FCS控制器的控制，定時(shí)開啟和關(guān)閉，從而使燃料電池電堆的溫度穩(wěn)定在50℃～60℃范圍內(nèi)，保持電堆工作特性最優(yōu)，使FCS運(yùn)行狀態(tài)良好。

隨著電堆加載功率增加，通過FCS控制器使壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速提高，電堆陰極入口的壓力升高，向電堆陰極出口供給更多的新鮮空氣以滿足負(fù)載更高功率的需求；同時(shí)，供給電堆陽(yáng)極入口氫氣的壓力也相應(yīng)發(fā)生變化，電堆加載功率變大時(shí)，電堆陽(yáng)極入口的氫氣壓力略微下降，主要因?yàn)樗腿腙?yáng)極入口的氫氣量多于電堆所需要的氫氣量，沒有發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的氫氣通過氫氣循環(huán)泵被再次循環(huán)送入到電堆的陽(yáng)極入口。電堆陽(yáng)極和陰極入口壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖9所示。隨著加載功率的變大，電堆單位時(shí)間內(nèi)消耗的氫氣量增加，導(dǎo)致氫氣的壓力有所下降。當(dāng)電堆加載的功率變小時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)消耗的氫氣量變少，從而使電堆陽(yáng)極入口氫氣的壓力階躍上升，單位時(shí)間內(nèi)向電堆陰陽(yáng)極流道內(nèi)供給的空氣和氫氣就增多，會(huì)使電堆陰陽(yáng)極流道內(nèi)氧氣和氫氣的濃度增高。電離出的氫離子增加，電堆陰極催化層發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)生成水增多，從而使質(zhì)子交換膜內(nèi)的遷移水量加大。

3 結(jié)論

(1) 考慮燃料電池汽車前艙空間和能量需求等因素的限制，設(shè)計(jì)燃料電池電堆低溫起動(dòng)的仿真平臺(tái)，保證燃料電池電堆在低溫環(huán)境下能夠順利起動(dòng)。

(2) 用20mm厚的軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP密封電堆時(shí)，電堆從80℃降到了0℃所需要的時(shí)間分別為23.4、33和45h。在相同的條件下，用VIP密封電堆可使電堆的保溫時(shí)間最長(zhǎng)、保溫效果最好。

(3) 車用燃料電池電堆在0℃起動(dòng)并逐漸加載功率是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過程。在暖機(jī)過程中，電堆自身的溫度、輸出電壓、陰陽(yáng)極入口壓力和質(zhì)子交換膜內(nèi)遷移水量瞬態(tài)變化。當(dāng)電堆冷卻液出口溫度達(dá)到60℃時(shí)，冷卻液進(jìn)入散熱器，風(fēng)扇開始旋轉(zhuǎn)，對(duì)電堆進(jìn)行冷卻，從而保持電堆的工作性能最佳。

[1] 張傳升,周蘇,陳鳳翔.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)自適應(yīng)控制模型集的確定[J].汽車工程,2012,34(5):385-388.

[2] 李友才,許思傳,楊志剛,等.PEMFC不同冷起動(dòng)方法的仿真研究[J].電源技術(shù),2009,33(6):479-481.

[3] 李友才,許思傳,楊志剛,等.PEMFC冷起動(dòng)仿真模型發(fā)展現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].電源技術(shù),2009,33(4):316-319.

[4] Li Youcai,Xu Sichuan,Yang Zhigang.Control Strategy and Thermal Management System Research of Fuel Cell Engine in Subfreezing[C].2011 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,2011,7:4830-4833.

[5] Li Youcai,Xu Sichuan,Yang Zhigang,et al.Experiment and Simulation Study on cold Start of Automotive PEMFC[C].2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering,2011,4:2166-2170.

[6] Sundaresan M,Moore R M.Polymer Electrolyte Fuel Cell Stack Thermal Model to Evaluate Subfreezing Startup[J].J Power Sources,2005,145:534-545.

[7] 李友才,許思傳,楊志剛,等.車用PEMFC保溫試驗(yàn)研究[J].電源技術(shù),2010,34(4):324-327.