基于恒電壓模式PEMFC冷起動性能研究

鄭浩，李義，許思傳

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

基于恒電壓模式PEMFC冷起動性能研究

鄭浩1,2，李義1,2，許思傳1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

對質(zhì)子交換膜燃料電池冷起動系統(tǒng)進(jìn)行實驗研究，分別測試了電堆初始溫度、起動電壓、吹掃時間等多種因素對電堆冷起動性能的影響。實驗結(jié)果表明：電堆初始溫度越低，電堆起動越困難；在一定電壓范圍內(nèi)，電堆電壓越低，冷起動性能越好；吹掃時間的長短對電堆冷起動性能影響較大；冷起動過程中，電堆內(nèi)單電池電壓呈現(xiàn)非均勻變化。

冷起動；質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)；初始溫度；起動電壓；吹掃時間

質(zhì)子交換膜燃料電池的商業(yè)化發(fā)展面臨的最主要障礙是電池成本與耐久性問題[1]，燃料電池在低溫環(huán)境中的冷起動能力也是阻礙其商業(yè)化的重要因素。燃料電池在低溫環(huán)境下起動時，電極處產(chǎn)水會迅速在反應(yīng)活性區(qū)凍結(jié)，覆蓋并減小電化學(xué)反應(yīng)活性區(qū)域同時堵塞反應(yīng)氣體的通道孔，導(dǎo)致電池起動失敗[2]。為保證燃料電池在冰點以下成功起動，電池需要通過輔助加熱或者自加熱，在催化層完全被冰覆蓋引起燃料饑餓、電化學(xué)活性區(qū)域驟減、電壓驟降之前，電池溫度至少要達(dá)到0℃[3]。

目前對于燃料電池冷起動性能的研究集中在單電池與仿真研究上，主要研究冷起動溫度、電池凍結(jié)/解凍、MEA組件參數(shù)、電池水含量等對電池冷起動性能的影響，鮮有基于燃料電池系統(tǒng)對電堆冷起動性能的研究。

本文采用基于車用燃料電池系統(tǒng)設(shè)計的PEMFC低溫冷起動測試系統(tǒng)，實驗研究了恒電壓模式下，環(huán)境溫度、起動電壓、吹掃時間等因素對電堆冷起動性能的影響，以期從系統(tǒng)控制策略角度實現(xiàn)電堆的優(yōu)化冷起動。實驗內(nèi)容主要包括以下三個方面：(1)電堆初始溫度對冷起動性能的影響；(2)起動電壓的影響；(3)吹掃時間，即電堆內(nèi)部水含量的影響。

1 燃料電池低溫起動理論分析

燃料電池在工作過程中會出現(xiàn)電壓損失：活化損失、歐姆損失與濃差損失，從圖1所示的燃料電池極化曲線可以看出，隨著燃料電池工作電流的增大，電池的電壓逐漸減小。

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圖1 燃料電池極化曲線

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電池正常運行狀態(tài)下工作在歐姆極化區(qū)域，此時電池的電流、功率值相對較大，同時電池電壓不會太低。燃料電池要實現(xiàn)在零度以下低溫環(huán)境成功無輔助熱源自起動，電池需要較快的升溫過程，即電池的產(chǎn)熱率要比較大。恒電壓模式，即保持電池工作電壓恒定的模式，可以一直保證電池較大產(chǎn)熱率以實現(xiàn)低溫下電池的快速升溫[4]，電池的產(chǎn)熱率大致與電流密度成正比關(guān)系，產(chǎn)熱方程為：

2 測試平臺、實驗系統(tǒng)及實驗步驟

2.1 測試平臺

燃料電池冷起動測試平臺如圖2所示，包括高低溫交變實驗箱PTC1410-D，氫氣、空氣供給系統(tǒng)，電力/電子管理系統(tǒng)，控制電堆溫度的大、小冷卻循環(huán)系統(tǒng)，電子負(fù)載與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。高低溫交變實驗箱控制燃料電池電堆溫度，此實驗中用于電堆降溫；氫氣供給系統(tǒng)，電堆入口處氫氣壓力保持恒定值以提供足量燃料供給；空氣供給系統(tǒng)可根據(jù)電堆電流或者負(fù)載工況通過調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提供足量空氣供給；電子負(fù)載提供外電路不同工況；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣時間間隔為1 s，具備監(jiān)測電堆與單電池性能的能力。

圖2 燃料電池冷起動測試平臺

2.2 實驗系統(tǒng)

實驗冷起動系統(tǒng)如圖3所示，實驗電堆的額定功率為6 kW，由90片活性面積為250 cm2的單電池構(gòu)成的商業(yè)化燃料電池電堆，冷起動系統(tǒng)基于車用燃料電池系統(tǒng)搭建，并通過大、小電磁閥來實現(xiàn)電堆的溫度控制。冷起動開始階段，開啟小電磁閥，電堆冷卻水經(jīng)小電磁閥形成小循環(huán)回路以減少電堆的熱量散失；冷起動成功后，電堆進(jìn)入常規(guī)運行階段，溫度上升到約55℃，大電磁閥開啟，電堆冷卻水經(jīng)大電磁閥形成大循環(huán)回路以實現(xiàn)對電堆散熱。

圖3 燃料電池冷起動實驗系統(tǒng)

2.3 實驗步驟

(1)燃料電池電堆在額定條件下(55℃)運行至少30 min直到電堆電壓穩(wěn)定，保證每次冷起動實驗前電堆內(nèi)部水含量分布、濕度等的均勻與穩(wěn)定性；

(2)停機(jī)，陰極側(cè)，將風(fēng)機(jī)調(diào)至最大轉(zhuǎn)速(3 000 r/min)對電堆進(jìn)行吹掃；陽極側(cè)，利用氮氣進(jìn)行吹掃，吹掃能有效減少電堆內(nèi)水含量；

(3)開啟高低溫交變箱給電堆降溫，降溫7 h后，開啟小循環(huán)冷卻回路，通過電堆出口處溫度傳感器監(jiān)測電堆內(nèi)部的溫度[5]，如果電堆出口處溫度保持恒定，則認(rèn)為電堆內(nèi)部溫度分布是均勻的，如果電堆出口處溫度是變化的，則繼續(xù)冷卻電堆，直到電堆出口處溫度保持恒定以保證電堆內(nèi)部溫度分布的均勻性；

為驗證上文提出的利益協(xié)調(diào)分配機(jī)制的有效性，此部分對分散決策、集中決策以及利益協(xié)調(diào)模型中的相關(guān)參數(shù)進(jìn)行賦值模擬，在滿足基本假設(shè)條件的前提下，具體的參數(shù)賦值如表2所示。

(4)在恒電壓模式下，進(jìn)行冷起動實驗并采集實驗數(shù)據(jù)，在電堆電流減小到零之前，電堆溫度上升到0℃，則冷起動實驗成功；

(5)重復(fù)上述實驗過程；

(6)燃料電池冷起動性能影響因素實驗測試結(jié)束。

3 結(jié)果與分析

3.1 電堆初始溫度對PEMFC冷起動性能的影響

圖4 初始溫度對電堆冷起動性能的影響

圖4所示為電堆初始溫度不同，冷起動過程中電壓、電流以及溫度的響應(yīng)曲線。冷起動之前，電堆陰極側(cè)利用空氣吹掃5 min，陽極側(cè)利用氮氣吹掃5 min中，起動電壓均為30 V。從圖4電流響應(yīng)可以看出，電壓加載過程相同時，不同的電堆初始溫度，冷起動過程中電流的變化趨勢大致相似，電堆溫度不斷升高。電堆電壓加載至30 V時，電堆電流首先有一個瞬間增大到某一值的過程，此過程由燃料電池極化曲線可知，電壓降低時，電流會增大；隨后電流會逐漸減小，其原因在于電堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)水發(fā)生了凍結(jié)，陰極催化層逐漸被冰覆蓋，電化學(xué)反應(yīng)活性區(qū)域減小；直到減小到某一值時，電堆電流出現(xiàn)一小段基本保持恒定不變的過程，這主要是電堆產(chǎn)熱速率和水結(jié)冰速率達(dá)到了平衡，電堆內(nèi)部處于冰水混合狀態(tài)，此時電堆的溫度約為－4℃，證實了催化層的冰點溫度也約為－4 ℃[5]；最后電堆電流快速增大，此時電堆溫度約為－2℃，此過程由于電堆溫度相對較高，電堆產(chǎn)熱速率大于水結(jié)冰速率，電堆內(nèi)部覆蓋在陰極催化層的冰開始融化，催化層電化學(xué)反應(yīng)活性面積增大。

對比圖4(a)、(b)、(c)可以看出，冷起動過程中，電堆初始溫度越低，電堆冷起動性能越差，電堆溫度上升到0℃所需的時間越長，電堆冷起動越困難，這是由于溫度越低，電堆運行時產(chǎn)水越容易發(fā)生凍結(jié)，電堆溫升速率越緩慢。

3.2 起動電壓對PEMFC冷起動性能的影響

(b)30 V恒電壓起動

圖5 起動電壓對電堆冷起動性能的影響

3.3 吹掃時間對PEMFC冷起動性能的影響

圖6所示為－15℃冷起動過程中電堆電壓、電流與溫度的響應(yīng)曲線。

圖65 min吹掃起動

冷起動之前，電堆陰極側(cè)利用空氣吹掃5 min，陽極側(cè)利用氮氣吹掃5 min中，起動電壓為20 V。從圖5可以看出，冷起動過程中電流一直減小，接近零時，電堆電壓與電流都出現(xiàn)了波動，最后電流降為零。此次冷起動失敗，可能由于電堆初始溫度較低，實驗之前的吹掃時間相對較短，不能有效地除去電堆內(nèi)部的水，冷起動過程中產(chǎn)水結(jié)冰逐漸覆蓋了催化層。

為了驗證失敗的原因，對電堆陰極側(cè)利用空氣吹掃20 min，陽極側(cè)利用氮氣吹掃20 min后，以20 V恒電壓再次進(jìn)行－20℃冷起動實驗，圖7所示為不同吹掃時長冷起動過程中電堆溫升對比，可以看出，延長吹掃時間顯著提高了電堆的溫升速率，電堆表現(xiàn)出較好的冷起動性能，電堆冷起動成功。有效的吹掃策略對電堆冷起動性能有顯著的提高。

3.4 冷起動過程中單電池電壓變化

為了考察冷起動過程中電堆內(nèi)單電池電壓的變化，圖8比較了－15℃冷起動過程中電堆內(nèi)10片單電池電壓變化，可以看出，單電池電壓表現(xiàn)出非常的不一致性，同時單電池電壓在冷起動過程中不斷波動，這可能由于冷起動過程中，電堆內(nèi)部結(jié)冰與溫度分布不均勻?qū)е隆?/p>

圖7 吹掃時長對電堆冷起動性能的影響

4 結(jié)論

研究了電堆初始溫度、起動電壓、吹掃時間等多種因素對電堆冷起動性能的影響。實驗結(jié)果表明：電堆初始溫度越低，電堆起動越困難；在一定電壓范圍內(nèi)，電堆電壓越低，冷起動性能越好；吹掃時間的長短對電堆冷起動性能影響較大；冷起動過程中，電堆內(nèi)單電池電壓呈現(xiàn)非均勻變化。

圖8 －15℃冷起動過程中單電池電壓變化

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Research on cold start characteristics of PEMFC based on potentiostatic mode

ZHENG Hao1,2,LI Yi1,2,XU Si-chuan1,2

The experimental researches on PEMFC cold start system were carried out.The response of different factors including the effects of initial temperature,start voltage,and purging time on cold start performance of fuel cell stack were investigated.The experimental results show that the initial temperature of fuel cell stack is lower,and the start-up is harder;in a certain range,the voltage is lower,the cold start performance is better;the cold start performance of fuel cell stack is influenced by the purging period before cold start significantly;the single cell voltage of the stack varies non-uniform during the cold start process.

cold start;PEMFC system;initial temperature;start voltage;purging period

TM 911

A

1002-087 X(2014)02-0259-03

2013-06-15

國家“863”燃料電池轎車項目(2011AA11A265)

鄭浩(1989—)，男，安徽省人，碩士生，主要研究方向為燃料電池冷起動。