車用PEMFC電堆典型道路工況低溫起動試驗研究

李友才

(河南工業大學機電工程學院，河南鄭州 450001)

車用PEMFC 因其效率高、工作溫度低和零排放等優點而成為電動汽車的理想動力源，但PEMFC 商業化應用仍然受到低溫起動、耐久性和可靠性等技術瓶頸的限制。當環境溫度低于0 ℃，PEMFC 內殘存的水將會結冰，導致燃料電池無法起動或運行時間很短就被迫停機，而反復起動對燃料電池內部結構造成破壞，對PEMFC 可靠性和使用壽命造成嚴重的影響[1-2]。國內外學者[3-10]在PEMFC 低溫起動的融冰/結冰、內部與外部影響因素和建模等方面進行很多研究，但以上研究均側重于單電池或幾片電池低溫起動與運行研究。很少研究有幾十片甚至幾百片單電池組成PEMFC 電堆，因此有必要對車用PEMFC 電堆進行低溫起動試驗研究。本文根據制定的典型道路工況對6 kW 燃料電池電堆進行功率加載、實時監測和動態運行數據采集，以此來研究在低溫環境下PEMFC 電堆的運行特性。

1 試驗方案

(1)試驗設備

額定功率為6 kW 的PEMFC 電堆1 臺，測量電堆溫度的溫度傳感器4 個，氫氣流量計1 個，測量空氣供給系統、氫氣供給系統和冷卻系統的壓力傳感器3 個，穩壓電源3 臺，冰點為―35 ℃的防凍液10 L，防凍液軟管3 m，信號采集線9 m，型號為WCL488-400-1000-12000 的電子負載和可編程直流電源各1 臺，電加熱器2 個，定做的系統安裝支架1 個。PEMFC電堆低溫運行試驗布置示意圖如圖1 所示[1,3]。

圖1 PEMFC電堆試驗布置示意圖

(2)試驗步驟

(a)按照試驗要求，在PEMFC 電堆陰極進口安裝溫度、壓力和濕度傳感器，在其出口安裝溫度傳感器。在電堆陽極進口安裝壓力傳感器，在其出口安裝溫度傳感器，在電堆冷卻液的進出口安裝溫度和壓力傳感器，如圖1 所示。

(b)將各個傳感器安裝在待測管路上，并確保電堆陰陽極進出口及其管路連接密封良好，確保電堆冷卻系統及其管路連接密封良好，無漏氣、無漏液現象。

(c) 將PEMFC 電堆系統、電子負載及供氫系統放入環境倉內，依次連接好其系統的線路和管路。將PEMFC 電堆系統的控制器、電子負載與電腦采集系統連接好，并通過穩壓電源給壓縮機、風扇和冷卻水泵供電。

(d)按照制定的典型道路試驗工況要求，在低溫環境下加載運行PEMFC 電堆系統，采集電堆陰陽極進出口的溫度、壓力和濕度數據，記錄電堆的輸出電壓、功率、輔助功率和電堆冷卻液進出口的溫度和壓力等數據。

設定環境艙的溫度為―10 ℃，在熱機狀態下關閉PEMFC 電堆，電堆工作溫度為60 ℃。此時對PEMFC 電堆陰極流道吹掃88 s，當PEMFC 電堆最外層電池陰極催化層溫度降到0 ℃時，起動PEMFC 電堆，加載如圖2 所示典型道路試驗工況功率曲線[4]，使PEMFC 電堆進入小負荷暖機運行狀態。此時PEMFC 電堆自身溫度較低，PEMFC 電堆自身輸出電壓、輸出功率和效率都較低，因此在PEMFC 電堆運行的1 360 s 內其負載功率小于2.4 kW，這樣在―10 ℃環境下保證了PEMFC 電堆的穩定運行。而在1 361～2 400 s 內，開始加載更大功率，加載的功率階梯增加，并通過PEMFC 電堆控制器實時采集并保存PEMFC 電堆的動態運行參數。

圖2 PEMFC電堆加載功率曲線

2 典型道路工況分析

圖3 為負載電壓隨時間變化曲線。從圖3 可以看出，在0～1 360 s 內，負載電壓最高為88.6 V，最低為67.7 V。在對PEMFC 電堆加載的初始階段，采用了相同的四段循環功率加載方法。主要考慮此時PEMFC 電堆自身溫度較低，不適合直接加載高功率，這樣避免PEMFC 電堆遭到損壞或者根本無法直接加載高功率。在相同的四段循環功率加載過程中，PEMFC 電堆持續運行，其內部的電化學反應持續進行，不斷有大量熱量生成，對PEMFC 電堆進行加熱。在從1 361 s 開始對燃料電池電堆按圖2 的功率曲線進行加載，隨著時間推移，從2.3 kW 逐漸提升至5.7 kW，在每小段加載功率階躍增大時，燃料電池電堆負載輸出電壓即刻降低，但在每一小段燃料電池電堆負載電壓是逐漸升高的，如在1 815～1 935 s 內加載的功率為4.62 kW，燃料電池電堆負載輸出的電壓從63.5 V 上升到65.1 V。

圖3 負載電壓隨時間的變化曲線

PEMFC 電堆進出口溫度隨時間變化曲線如圖4 所示。從圖4 可以看出，PEMFC 電堆開始工作時，其冷卻液進出口溫度和陰極進口溫度都很低。隨著PEMFC 電堆持續工作，其冷卻液進出口溫度和陰極進口溫度逐漸升高，而且PEMFC電堆冷卻液出口的溫度最高，在2 080 s 時電堆冷卻水出口溫度達到58.2 ℃。隨后PEMFC 電堆冷卻系統開始工作，水泵和風扇開始運行，不斷將PEMFC 電堆產生的熱量越來越多地散到環境中去，PEMFC 電堆開始降溫，在2 250 s 時其冷卻水出口溫度降到了41.2 ℃，PEMFC 電堆冷卻系統停止工作，水泵和風扇停止運行。由于PEMFC 電堆繼續不停工作，在PEMFC 內部不斷有熱量生成，從而使PEMFC 電堆冷卻水進出口溫度繼續上升，當其溫度大于58 ℃時，PEMFC 電堆冷卻系統再次開始工作。只要PEMFC 電堆繼續運行，PEMFC 電堆冷卻液進出口溫度和陰極進口溫度就如此重復循環變化。

圖4 PEMFC電堆進出口和其陰極進口溫度隨時間變化曲線

PEMFC 電堆系統輔助功率隨時間變化曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出，對PEMFC 電堆加載的功率越大，單位時間內需要通過壓縮機向電堆陰極流道內送入更多的空氣，同時通過氫氣循環泵向電堆陽極側送入更多的氫氣，結果導致PEMFC 電堆消耗的輔助功率越來越多。特別是在1 940 s 后PEMFC 電堆加載5.7 kW 的功率，而且PEMFC 電堆冷卻系統的水泵和風扇開始工作后，消耗的輔助功率達到948 W。

圖5 PEMFC電堆輔助功率隨時間變化曲線

PEMFC 電堆陰極、陽極進口壓力隨時間的變化曲線如圖6 所示，加載功率小于2.4 kW 時，電堆陰極入口僅為0.006 MPa；加載功率小于5.7 kW 時，電堆陰極入口的空氣壓力為0.016 MPa。從圖6 可以看出，PEMFC 電堆陰極入口空氣壓力隨著燃料電池電堆的加載功率升高而逐漸變大。PEMFC電堆陽極入口氫氣平均壓力保持在0.047 MPa，瞬間電堆陽極最低入口壓力為0.036 MPa，瞬間電堆陽極最高入口壓力為0.055 MPa。PEMFC 電堆陽極入口壓力大于其陰極入口壓力，最大壓力差為0.039 MPa，使PEMFC 電堆陽極側氫氣向陰極側移動，使電離的氫離子通過質子交換膜到達陰極，保證了PEMFC 電堆可持續運行。同時，氫氣循環泵給電堆陽極入口供給的氫氣是過量的。在功率加載的階躍時刻，電堆陽極入口壓力發生階躍變化。

圖6 PEMFC電堆陰極、陽極進口壓力隨時間的變化曲線

PEMFC 電堆4 個模塊(模塊1、2 和3 分別由22 個單電池組成，模塊4 由24 個單電池組成)輸出電壓隨時間變化曲線如圖7 所示。從圖7 可以看出，隨著PEMFC 電堆加載功率的變化，其模塊1～4 的輸出電壓變化走勢是相同的，而且模塊輸出電壓隨著加載功率變化而階躍變化。模塊4 輸出電壓高于模塊1、2、3，模塊4 最高輸出電壓為23.4 V，而模塊1、2、3 的最高輸出電壓為21.6 V。從圖8 可以看出，PEMFC 電堆單體電池輸出的最高電壓分別為1.01 和0.95 V，其輸出的最低電壓分別為0.72 和0.64 V，單體電池最高和最低輸出電壓差分別為0.06 和0.08 V，這主要是由于單體電池間一致性、工作條件、運行狀態存在一定差異所致。

圖7 PEMFC電堆4個模塊輸出電壓隨時間的變化曲線

圖8 PEMFC電堆單體電池最高和最低電壓隨時間變化曲線

3 結論

PEMFC 電堆在0 ℃時起動并逐漸加載功率是一個相當復雜的過程。在小負荷暖機工作過程中，PEMFC 電堆自身的工作溫度、輸出電壓、陰陽入口壓力、單體電池質子交換膜內遷移水和其輔助功率瞬時發生變化。在1 940 s 后PEMFC 電堆加載5.7 kW 的功率，而且PEMFC 電堆冷卻系統的水泵和風扇開始工作后，消耗的輔助功率達到948 W。當其溫度大于58 ℃時，PEMFC 電堆冷卻系統再次開始工作。只要PEMFC 電堆繼續運行，PEMFC 電堆冷卻液進出口溫度和其陰極進口溫度如此重復循環變化，從而保持電堆的工作性能最佳。