燃料電池系統-30℃冷啟動防水淹策略研究

吳炎花，林業發

（上海電氣集團股份有限公司中央研究院，上海，201600）

0 引言

燃料電池車用系統是一種氫氣氧氣通過電化學反應發電，并產生水的系統。車用系統需要滿足-30℃環境下啟動并運行。由于燃料電池的產物是水，使得燃料電池冷啟動成為難題。現有技術方案是通過對冷卻水路進行輔助加熱，從而使得電堆內部快速升溫；還有的技術方案是對燃料電池電堆加裝加熱裝置，對電堆進行快速加熱；另外也有通過控制電流、反應物等方式，提高電流，降低燃料電池電壓，降低燃料電池效率，快速加熱方法。這些技術方案都沒有考慮燃料電池低溫冷啟動過程中，局部冰融化造成的水淹，從而造成的局部反極問題，從而降低了燃料電池的可靠性。

1 燃料電池電堆低溫啟動過程機理分析

燃料電池單節電池由雙極板和膜電極組成，雙極板由陽極氣體流道、陰極氣體流道、以及冷卻液流道組成；膜電極又由質子交換膜、催化劑、氣體擴散成組成。增濕的氫氣進入陽極和增濕的空氣進入陰極通過催化劑進行電化學反應產生電和熱；

正常溫度工作時，生成的水處于液態或氣態，陰極催化層會將反應生成水并通過擴散層帶到雙極板流場中隨過量的空氣帶出去，同時，陰極生成的水會滲透到陽極，陽極也需要一定過量系數的氫氣把氫氣中的液態水帶出去。

在反應過程中，陽極側的氫氣質子以水和質子H3O+進行傳輸，充分濕潤的質子交換膜有利于輸出特性的提升，然而過多的水會導致水淹，阻礙氣體的傳輸；催化劑的反應面積就變小。這時燃料電池的活化阻抗、濃差阻抗就提高，燃料電池單節輸出性能降低，嚴重時燃料電池局部出現氫氣欠氣，在陽極催化劑表面形成較高的陽極電勢差，形成陽極反極，此過程具有強電化學腐蝕，破壞燃料電池膜電極甚至雙極板[4]。如下圖1所示為燃料電池工作原理示意圖。

圖1 燃料電池工作原理

根據以上分析，在-30℃低溫環境中，燃料電池電堆運行在低溫狀態啟動，需要考慮以下問題：

（1）膜電極的催化層表面上一次反應生成的水會凍成冰或者霜，會阻止啟動過程的反應氣體達到反應界面，局部欠氣，并且造成反極；

（2）冷啟動過程中，電流加載過快，溫度較低，氣體擴散層的水飽和濕度低，反應生成的水接近飽和后堵塞流道造成水淹現象，從而阻止氣體傳輸，反應欠氣，反應生成的水又迅速結冰，冷啟動失敗；

（3）冷啟動過程中，電流加載過慢，溫度較低，產生的熱量小于環境散熱量，反應生成的水迅速結冰，從而阻止氣體傳輸，反應欠氣，冷啟動失敗；

（4）冰的體積比水的體積大，結冰會造成膜電極表面、流道等膨脹、破裂甚至穿孔；

根據以上問題分析，總結冷啟動過程，電堆內部膜電極表面可以分為三個過程：

（1）在燃料電池冷啟動過程的初始過程中，會在陰極表面生成水，然后陰極側的含水量慢慢變高；

（2）陰極側的水飽和，繼續生成的水就會結冰，這時，通過外面冷卻水加熱和燃料電池的電化學反應會發熱提高燃料電池電堆溫度，保證燃料電池陰極側在沒有被冰覆蓋之前就升溫到0℃以上；

（3）在溫度提高到0℃以上，陰極全部融化，電池溫度會繼續上升，燃料電池功率升高給冷卻液加熱，一直到燃料電池電堆和冷卻液升溫到工作溫度。

圖2 燃料電池系統原理示意圖

2 燃料電池低溫冷啟動過程控制策略

燃料電池冷啟動控制處于-30℃低溫環境下，在上一次關機過程要充分的吹掃，將電堆內部的液態水吹出，保證啟動過程催化劑表面沒有被冰覆蓋；

燃料電池系統除了燃料電池電堆外，還包含空氣供應系統、氫氣供應系統、熱管理系統、電氣系統；

（1）空氣供應系統由空壓機、背壓閥和流量傳感器、壓力傳感器組成，控制空壓機轉速閉環控制空氣流量；

（2）氫氣供應系統包含氫氣比例閥、氫氣壓力傳感器控制氫氣壓力，氫氣系統還包含尾排閥、水汽分離器、循環泵，循環比將堆出的剩余氫氣再循環進入堆入，從而控制氫氣回流過量系數，水分把堆出的濕氫氣的液態水分離出，氫氣尾排間歇打開排出水分中液態水；

（3）熱管理系統包含水泵控制冷卻劑流量，加熱器、散熱器、電動三通閥以及溫度傳感器控制冷卻劑溫度；

（4）電氣系統由DC、巡檢、電流電壓傳感器等組成，DC控制電堆的電流輸出，巡檢檢測每一節單體的電壓；當出現單體電壓過低時，及時切斷接觸器保護電堆。

冷啟動控制策略分為以下三個步驟：

（1）輔助加熱開啟：在-30℃低溫環境下啟動，熱管理系統打開水泵以低速運行、電動三通閥到小循環，控制加熱器到最高功率加熱冷卻劑；冷卻劑通過電堆的冷卻劑流道加熱電堆本體；

（2）陰極吹掃：電堆出口有電堆溫度傳感器，檢測到冷卻器溫度大于-15℃后，再控制空氣供應系統，打開空壓機、被壓閥，大氣量供氣持續10s吹掃電堆陰極側，將液態水通過空氣帶走；

（3）陽極吹掃：供應陽極氫氣壓力，并控制陽極循環泵高轉速運行持續運行，電堆陽極催化層表面通過一定過量系數的氫氣帶走液態水；

（4）燃料電池加載：電堆建立開路電壓后開始加載，按2A/S的斜率慢慢加載燃料電池電流到電堆的平均電壓到 0.6v;電堆拉載后會產生熱功率 P熱功率=（（1.48-0.6）/0.6）*P電功率；當0.6v的電功率是40kw,熱功率58.6kw;這個過程快速給小循環冷卻劑和電堆加熱。此過程為了快速加熱燃料電池系統達到工作溫度，從而滿足車用系統的時間響應特性。

（5）熱管理系統打開大循環：當電堆溫度到50℃，閉環控制打開電動三通閥使得堆出水溫一直保持50℃，讓大循環的冷卻劑緩慢與內循環混流加熱，一直到三通閥全開。

（6）持續加熱電堆到電堆運行工作溫度70℃后，控制散熱器風扇打開，閉環控制堆出溫度保持在80℃。

3 燃料電池冷啟動自適應防水淹控制策略

燃料電池電氣系統包含單節巡檢模塊，用于檢測燃料電池的單體電壓，當冷啟動過程出現局部水淹造成局部電體欠氣時，單體的電壓就會降低；在如上冷啟動過程的步驟4過程中，控制電堆平均電壓達到0.6V，燃料電池系統快速加熱，燃料電池性能慢慢提升后，DCDC電流可以運行到較大電流，但是燃料電池節數較多，內部的加熱過程可能不平均，造成局部性能恢復較差，出現局部水淹，甚至局部反極；如果DCDC電流很小時，燃料電池電堆的冷啟動時間就較長，達不到車用要求。

自適應防水淹控制策略是基于平均電體電壓V_Cellaveg為控制目標，再把巡檢最低單體電壓V_Cellmin作為影響因子，自適應控制空氣供應量、氫氣供應量以及電堆電流。

（1）當最低單體大于0.5V時，PID閉環控制DCDC電流到平均電壓0.6v；

其中Xk=V_Cellaveg-0.6是當前目標值和實際值的偏差

空氣的目標流量是跟隨電流控制的：

氫氣流量：

其中λair是空氣的過量系數，λH2是氫氣的過量系數,I是電堆電流，N電堆節數，F法拉第常數96485.3

（2）平均電壓控制在0.6V時，巡檢最低單體電壓等于0.5V時，控制DCDC電流保持不變；

當出現局部欠氣時，巡檢最低單體電壓降低，當檢測到小于0.5V時，控制DCDC快速下降自適應修正因子根據最低單體電壓；同時提高空氣系統的流量、氫氣系統循環泵的轉速，快速吹掃局部水淹區域。等性能恢復后，再繼續加載到平均電壓是0.6V對于的功率點。

空氣的目標流量是跟隨自適應影響因子增加空氣量λair_add=a*Xq ：

氫氣的目標流量是跟隨自適應影響因子增加空氣量λH2_add=b*Xq：

4 燃料電池系統冷啟動測試

燃料電池冷啟動實驗需要將燃料電池系統放在環境倉內-30℃冷凍12小時，環境倉還配置新風系統，當燃料電池冷啟動過程模擬低溫環境持續給燃料電池系統供應-30℃的冷空氣及冷氫氣；實驗的燃料電池系統電堆是320節，電堆額定功率為80kw；電堆運行溫度是70℃。

如圖3所示是冷啟動過程的單體電壓圖。

圖3 單體巡檢電壓

如下圖4所示，燃料電池冷啟動成功是40s，燃料電池冷啟動到加熱完全需要500s。

圖4 -30℃冷啟動測試數據

如測試過程，冷啟動分為以下幾個階段：

0-20s,外部加熱器加熱冷卻水到-15℃，燃料電池系統沒有運行；

20-50s,陰極、陽極吹掃，電壓建立，燃料電池不拉載；

50s-370s,緩慢加載過程，整個緩慢加載過程，控制平均電壓0.6V;

在375S，電堆電壓出現單體現象，啟用防水淹控制策略，燃料電池性能快速恢復；

370s-500s,急速加載過程，直到溫度加熱到工作溫度。

5 結論

本文從燃料電池電堆冷啟動過程機理分析電堆、膜電極的物理特性，并研究了針對-30℃的低溫冷啟動的控制策略；還研究了燃料電池冷啟動過程水淹防反極處理的控制策略。最后通過實驗驗證了控制策略的可行性以及可靠性。通過實驗證明得到以下結論：（1）燃料電池-30攝氏度的冷啟動可以通過輔助加熱加自啟動加載并行方式實現，滿足車用系統在寒冷地區的使用需要。（2）燃料電池系統在低溫冷啟動過程中出現水淹現象，可以通過自適應控制空氣供應、氫氣供應、以及暫時降低電堆電流的過程，優化快速處理，迅速將液態水出帶出，防止燃料電池單低，從而防止反極。