燃料電池系統(tǒng)-30℃冷啟動防水淹策略研究

吳炎花，林業(yè)發(fā)

（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(tǒng)是一種氫氣氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)發(fā)電，并產(chǎn)生水的系統(tǒng)。車用系統(tǒng)需要滿足-30℃環(huán)境下啟動并運行。由于燃料電池的產(chǎn)物是水，使得燃料電池冷啟動成為難題。現(xiàn)有技術(shù)方案是通過對冷卻水路進行輔助加熱，從而使得電堆內(nèi)部快速升溫；還有的技術(shù)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(yīng)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(shù)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(jié)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(zhì)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(xué)反應(yīng)產(chǎn)生電和熱；

正常溫度工作時，生成的水處于液態(tài)或氣態(tài)，陰極催化層會將反應(yīng)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(shù)的氫氣把氫氣中的液態(tài)水帶出去。

在反應(yīng)過程中，陽極側(cè)的氫氣質(zhì)子以水和質(zhì)子H3O+進行傳輸，充分濕潤的質(zhì)子交換膜有利于輸出特性的提升，然而過多的水會導(dǎo)致水淹，阻礙氣體的傳輸；催化劑的反應(yīng)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(jié)輸出性能降低，嚴重時燃料電池局部出現(xiàn)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(xué)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(jù)以上分析，在-30℃低溫環(huán)境中，燃料電池電堆運行在低溫狀態(tài)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(yīng)生成的水會凍成冰或者霜，會阻止啟動過程的反應(yīng)氣體達到反應(yīng)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(yīng)生成的水接近飽和后堵塞流道造成水淹現(xiàn)象，從而阻止氣體傳輸，反應(yīng)欠氣，反應(yīng)生成的水又迅速結(jié)冰，冷啟動失敗；

（3）冷啟動過程中，電流加載過慢，溫度較低，產(chǎn)生的熱量小于環(huán)境散熱量，反應(yīng)生成的水迅速結(jié)冰，從而阻止氣體傳輸，反應(yīng)欠氣，冷啟動失敗；

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

根據(jù)以上問題分析，總結(jié)冷啟動過程，電堆內(nèi)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(cè)的含水量慢慢變高；

（2）陰極側(cè)的水飽和，繼續(xù)生成的水就會結(jié)冰，這時，通過外面冷卻水加熱和燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)會發(fā)熱提高燃料電池電堆溫度，保證燃料電池陰極側(cè)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(xù)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(tǒng)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(huán)境下，在上一次關(guān)機過程要充分的吹掃，將電堆內(nèi)部的液態(tài)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(tǒng)除了燃料電池電堆外，還包含空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)；

（1）空氣供應(yīng)系統(tǒng)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(zhuǎn)速閉環(huán)控制空氣流量；

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

（3）熱管理系統(tǒng)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(tǒng)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(jié)單體的電壓；當出現(xiàn)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(huán)境下啟動，熱管理系統(tǒng)打開水泵以低速運行、電動三通閥到小循環(huán)，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(yīng)系統(tǒng)，打開空壓機、被壓閥，大氣量供氣持續(xù)10s吹掃電堆陰極側(cè)，將液態(tài)水通過空氣帶走；

（3）陽極吹掃：供應(yīng)陽極氫氣壓力，并控制陽極循環(huán)泵高轉(zhuǎn)速運行持續(xù)運行，電堆陽極催化層表面通過一定過量系數(shù)的氫氣帶走液態(tài)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(chǎn)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(huán)冷卻劑和電堆加熱。此過程為了快速加熱燃料電池系統(tǒng)達到工作溫度，從而滿足車用系統(tǒng)的時間響應(yīng)特性。

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

（6）持續(xù)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(huán)控制堆出溫度保持在80℃。

3 燃料電池冷啟動自適應(yīng)防水淹控制策略

燃料電池電氣系統(tǒng)包含單節(jié)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(xiàn)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(tǒng)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(jié)數(shù)較多，內(nèi)部的加熱過程可能不平均，造成局部性能恢復(fù)較差，出現(xiàn)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(yīng)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(yīng)控制空氣供應(yīng)量、氫氣供應(yīng)量以及電堆電流。

（1）當最低單體大于0.5V時，PID閉環(huán)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(shù)，λH2是氫氣的過量系數(shù),I是電堆電流，N電堆節(jié)數(shù)，F(xiàn)法拉第常數(shù)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(xiàn)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(yīng)修正因子根據(jù)最低單體電壓；同時提高空氣系統(tǒng)的流量、氫氣系統(tǒng)循環(huán)泵的轉(zhuǎn)速，快速吹掃局部水淹區(qū)域。等性能恢復(fù)后，再繼續(xù)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(yīng)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(yīng)影響因子增加空氣量λH2_add=b*Xq：

4 燃料電池系統(tǒng)冷啟動測試

燃料電池冷啟動實驗需要將燃料電池系統(tǒng)放在環(huán)境倉內(nèi)-30℃冷凍12小時，環(huán)境倉還配置新風系統(tǒng)，當燃料電池冷啟動過程模擬低溫環(huán)境持續(xù)給燃料電池系統(tǒng)供應(yīng)-30℃的冷空氣及冷氫氣；實驗的燃料電池系統(tǒng)電堆是320節(jié)，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(shù)據(jù)

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(tǒng)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(xiàn)單體現(xiàn)象，啟用防水淹控制策略，燃料電池性能快速恢復(fù)；

370s-500s,急速加載過程，直到溫度加熱到工作溫度。

5 結(jié)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(jié)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(xiàn)，滿足車用系統(tǒng)在寒冷地區(qū)的使用需要。（2）燃料電池系統(tǒng)在低溫冷啟動過程中出現(xiàn)水淹現(xiàn)象，可以通過自適應(yīng)控制空氣供應(yīng)、氫氣供應(yīng)、以及暫時降低電堆電流的過程，優(yōu)化快速處理，迅速將液態(tài)水出帶出，防止燃料電池單低，從而防止反極。