車用PEMFC電堆低溫起動試驗研究*

李友才,許思傳,楊志剛

(1.河南工業大學機電工程學院，鄭州 450007；2.同濟大學汽車學院，上海 201804)

前言

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

1 車用燃料電池電堆低溫起動平臺設計

依據燃料電池電堆(FCS)低溫起動和停機控制策略[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，設計車用燃料電池電堆低溫起動平臺，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、加濕器和冷卻液箱密封。由燃料電池電堆控制器監測環境和電堆的溫度，當電堆的溫度(電堆最冷電池陰極催化層的溫度)達到0℃時，FCS控制器向動力電池發出指令，對冷卻液箱內的電加熱器供電以對其內的冷卻液加熱，且旁通閥打開，水泵冷卻液在電堆的小循環內循環加熱電堆，直到電堆的溫度達到所設定的溫度值。同時，FCS控制器監測氫瓶內的氫氣壓力或液態氫液面的高度。

電堆經過數次加熱循環之后，當動力電池的容量等于或低于設定值SOCref，其剩余的容量不能完成下一次對電堆的加熱時，立即向FCS控制器發出指令，FCS控制器計算并判斷高壓氫瓶內的氫氣壓力或液態氫液面的高度是否滿足燃料電池電堆低負荷工作的要求。若能滿足，FCS控制器即刻向燃料電池電堆發送指令使其在小負荷工況下工作，對電堆自身和冷卻液進行加熱，并向動力電池進行充電。當電堆的溫度達到設定的溫度，且動力電池已經充滿時，FCS控制器發出指令，按低溫環境下的停機程序關閉FCS，保溫箱內的冷卻液進入保溫狀態。經過一段時間，當電堆溫度再次達到0℃時，FCS控制器發出指令，動力電池向冷卻液箱內的電加熱器供電，對其內的液體進行加熱[4]。

假設長時間不起動FCS，動力電池的容量和氫瓶內的氫氣量都不能滿足低溫環境下長時間的多次保溫和起動加熱。在動力電池充滿電的條件下，當FCS控制器接到氫瓶內的氫氣壓力或液態氫液面的高度低于所規定值的指令時，在最后一次暖機后關閉FCS。對電堆的陰極流道吹掃88s，使電堆內部殘存的去離子水最少[5-6]，同時，向用戶發出燃料不足和及時添加燃料的信號。

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

2 燃料電池發動機低溫起動試驗

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℃環境艙內進行試驗研究。將電堆加熱到80℃，并排空電堆內部的冷卻液，從80℃開始保溫。采用軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP保溫材料時，電堆從80℃降到了0℃所需要的時間分別為23.4、33和45h，各自電堆平均溫度Tavg隨時間的降溫曲線如圖2所示。電堆內部的熱量首先通過自然對流的方式傳到薄鋼板表面，在薄鋼板內部進行傳導傳熱，然后傳到保溫材料的內表面，在保溫材料內部進行傳導傳熱，最后保溫材料的外表面在環境艙內通過強制對流的方式進行換熱。同時，電堆內部電池通過薄鋼板和保溫材料向環境艙內進行輻射換熱[7]。

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

2.2 FCS低溫起動工況加載

設定環境溫度為-10℃，燃料電池電堆在上次停機后，對電堆陰極流道進行88s吹掃，且用保溫材料密封電堆。當電堆中最冷的電池陰極催化層的溫度達到0℃時，起動燃料電池電堆加載，使燃料電池電堆進入怠速暖機過程，如圖3所示。考慮暖機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控制器實時采集燃料電池電堆的動態運行參數。FCS試驗布置示意圖如圖4所示，試驗設備如表1所示。

表1 FCS試驗設備

負載電壓和電堆各模塊輸出電壓分別如圖5和圖6所示。當電堆加載的功率變大時，其輸出電壓立即下降，這是由質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時間內，雖然負載電壓和電堆各模塊的輸出電壓總的走勢是下降的，但在每個等功率加載的短暫階段，它們卻逐漸升高，因為每個階段加載的功率不變，而隨著電堆單電池內部電化學反應的進行，不斷有不可逆熱生成，不斷對電堆自身進行加熱，使電堆的溫度逐漸升高；而單電池內部極化損失變小，最終使負載電壓和電堆各模塊的的輸出電壓逐漸升高。

燃料電池電堆系統輔助功率隨時間的變化曲線如圖7所示。由圖可見：隨著加載功率的增大，單位時間內需要通過風機/壓縮機向電堆陰極入口供給的新鮮空氣增多，要求風機/壓縮機的轉速或壓縮比升高，致使其所消耗的輔助功率增大；而當電堆自身溫度達到所設定溫度時，水泵和風扇開始運轉，也使燃料電池電堆系統的輔助功率進一步增大。

燃料電池電堆起動后，隨著空氣和氫氣通過燃料供給系統不斷送入電堆的陰陽極入口，電堆內部的電化學反應持續進行。由于電堆自身存在著可逆與不可逆損失，這些損失以內熱源的方式不斷對電堆自身進行加熱，從而使電堆的溫度逐漸升高，圖8為電堆平均溫度隨時間的變化曲線圖。由圖可見：由于電堆在工作過程中短時間內產生的熱量較多，電堆外表面與環境的換熱對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；當電堆冷卻液出口溫度達到60℃時，FCS控制器發出指令，使電磁閥旁通，使熱的冷卻液進入散熱器，同時風扇開始旋轉，對燃料電池電堆進行冷卻，電堆自身的溫度開始下降，當冷卻液出口溫度降到50℃時，風扇停止運轉，此后風扇受FCS控制器的控制，定時開啟和關閉，從而使燃料電池電堆的溫度穩定在50℃～60℃范圍內，保持電堆工作特性最優，使FCS運行狀態良好。

隨著電堆加載功率增加，通過FCS控制器使壓縮機轉速提高，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載更高功率的需求；同時，供給電堆陽極入口氫氣的壓力也相應發生變化，電堆加載功率變大時，電堆陽極入口的氫氣壓力略微下降，主要因為送入陽極入口的氫氣量多于電堆所需要的氫氣量，沒有發生化學反應的氫氣通過氫氣循環泵被再次循環送入到電堆的陽極入口。電堆陽極和陰極入口壓力隨時間的變化曲線如圖9所示。隨著加載功率的變大，電堆單位時間內消耗的氫氣量增加，導致氫氣的壓力有所下降。當電堆加載的功率變小時，單位時間內消耗的氫氣量變少，從而使電堆陽極入口氫氣的壓力階躍上升，單位時間內向電堆陰陽極流道內供給的空氣和氫氣就增多，會使電堆陰陽極流道內氧氣和氫氣的濃度增高。電離出的氫離子增加，電堆陰極催化層發生電化學反應生成水增多，從而使質子交換膜內的遷移水量加大。

3 結論

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

(2) 用20mm厚的軟橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP密封電堆時，電堆從80℃降到了0℃所需要的時間分別為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間最長、保溫效果最好。

(3) 車用燃料電池電堆在0℃起動并逐漸加載功率是一個相當復雜的過程。在暖機過程中，電堆自身的溫度、輸出電壓、陰陽極入口壓力和質子交換膜內遷移水量瞬態變化。當電堆冷卻液出口溫度達到60℃時，冷卻液進入散熱器，風扇開始旋轉，對電堆進行冷卻，從而保持電堆的工作性能最佳。

[1] 張傳升,周蘇,陳鳳翔.燃料電池發動機自適應控制模型集的確定[J].汽車工程,2012,34(5):385-388.

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

[3] 李友才,許思傳,楊志剛,等.PEMFC冷起動仿真模型發展現狀及進展[J].電源技術,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保溫試驗研究[J].電源技術,2010,34(4):324-327.