車用大功率燃料電池低溫冷啟動分析

趙金剛 張彥偉 王國增 朱錫慶 杭磊

(海馬汽車有限公司)

質子交換膜燃料電池（PEMFC）相比傳統內燃機，擁有其特有優勢[1-3]，PEMFC的高效率、高比功率、零排放及響應快速等特性使其成為未來汽車領域最有潛力的動力源[4-5]。車用PEMFC在商業化進程中，冷啟動困難或啟動時間過長是主要制約因素之一[6-8]。目前，國內外車型對燃料電池發動機冷啟動能力進行了大量實驗，國外相關車型已量產且技術相對成熟[9-10]，國內大多從實際運行情況來看，在低溫啟動方面的技術稱不上很好，如表1所示。從表1可以看出，國內部分車型沒有明確啟動時間，一方面相關標準的暫缺，另一方面可靠性方面有待市場驗證。

表1 國內外對標車型冷啟動情況

文章擬開發的大功率燃料電池乘用車項目，截止目前，國內還沒有關于120 kW大功率燃料電池乘用車的相關文獻，甚至鮮有報道。文章結合實際情況及擬開發項目目標需求，通過對國內某型號120 kW燃料電池進行低溫冷啟動初步匹配并摸底分析，初步得出在理想情況下整車在-30℃下低溫啟動時間，其分析結果為后期擬開發車型目標的設定提供了理論依據，同時也曝露出冷啟動短板，若要與對標車型相當，必須選擇更加先進的燃料電池電堆及控制策略。

1 擬開發車型參數設定

根據實際情況及預研項目需求，擬開發車型目標初步設定如表2所示。

表2 整車技術參數

文章擬選擇的120 kW燃料電池電堆，具體技術參數如表3所示。

表3 某型號120 kW燃料電池技術參數

2 冷啟動熱平衡分析

2.1 燃料電池冷啟動分析假設

PEM燃料電池一般由膜電極、金屬雙極板、集流板、絕緣板和端板等組件組成。整個電堆系統由120 kW電堆、空氣供給系統、氫氣供給系統、冷卻系統、高/低壓系統等組成。建立的電堆及其系統冷啟動模型，做出以下假設：1）電堆停機后內部水被吹掃干，即啟動前內部不存在初始水；2）電堆材料物性參數不隨溫度變化而變化；3）忽略電堆組件向外界環境的散熱；4）忽略冷卻水通過時的熱損失；5）鎳氫電池在最低工作環境溫度-30℃下，按照輸出功率6 kW時可持續放電5 s，每間隔時間10 s，假設能夠放電n次；6）按照提供的電堆規范，電堆及小循環水加熱至0℃時即認為電堆啟動成功[14]。

2.2 燃料電池冷啟動原理圖

燃料電池冷啟動系統單獨設計一回路，小循環水體積約為1.6 L，串聯一個5.5 kW PTC加熱器，如圖1所示，該系統由電堆、PTC、低壓電子風扇和電控三通閥等組成。

圖1 電堆冷啟動加熱原理圖

3 冷啟動時間計算

基于上述冷啟動熱平衡分析假設及控制策略，結合電堆結構、部分物理常數和材料物性參數[11]，對120 kW燃料電池電堆從-30℃加熱至0℃冷啟動階段所需熱量進行評估，計算得到-30℃冷啟動總時間為769.7 s即約13 min。

表4 -30°C至0°C電堆冷啟動階段熱量及啟動時間計算

4 結論

綜上所述，預研項目首次采用國內先進的某型號120 kW大功率燃料電池電堆，根據開發目標需求，通過對燃料電池電堆低溫啟動熱平衡分析，計算得到在理想情況下從-30℃低溫啟動所需時間約13 min，而實際現實中所需啟動時間將會更長。文章分析結果將為擬開發車型目標的設定提供參考。

因文中采用的大功率電堆本身并不具備自加熱功能，再加上采用外部加熱控制策略，導致所需低溫啟動時間遠遠超過對標車型如豐田MIRAI、本田CLARITY、現代NEXO的冷啟動時間。若要與對標車型相當，必須選擇更加先進的燃料電池電堆和冷啟動控制策略，因此行業內開發車規級先進的大功率且具備自加熱功能的燃料電池已迫在眉睫。