氫燃料電池汽車發(fā)動機低溫冷啟動研究

李劍錚 周夢婷 王博 李昌煜 郭溫文

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院,廣州 511434）

0 引言

質(zhì)子交換膜燃料電池具有能量效率高、低溫運行穩(wěn)定、零排放、電解質(zhì)無腐蝕性的優(yōu)點，是未來最具發(fā)展前景的車用動力源之一。而低溫冷啟動性能是燃料電池系統(tǒng)最重要的性能之一，它決定了車輛在不同地域環(huán)境適應性，同時它也是氫燃料電池產(chǎn)業(yè)面對的重要挑戰(zhàn)之一。

氫燃料電池運行過程中會生成水或水蒸氣，當溫度降到0 ℃以下時，在啟動過程中或停機吹掃后，多余的水分會結霜。如果電堆內(nèi)多孔層或質(zhì)子交換膜中的水分結冰，會造成內(nèi)部結構體積膨脹，當頻次和幅度達到一定程度時，其內(nèi)部單體會發(fā)生性能衰退，導致不可逆轉的損壞[1]。若在催化層發(fā)生結冰，則會覆蓋反應活性表面，降低催化性能，此部分為可恢復衰減。如果是介質(zhì)流道或供氣閥門結冰堵塞，會阻止反應介質(zhì)到達反應場所，造成輸出性能下降，嚴重時可能會造成不可恢復的催化劑溶解或碳載體腐蝕[2]。

近年來，針對氫燃料電池低溫冷啟動特性的研究成為熱點，Mao[3]和Wang等[4]對氫燃料電池低溫啟動過程進行分析，詳細描述了氫燃料電池啟動時基于水平衡的結冰融冰過程，基于能量平衡的環(huán)境換熱和溫度上升過程，以及由于結冰導致的燃料電池性能下降過程。Hou等[5]研究了連續(xù)冷啟動失敗對氫燃料電池耐久壽命和輸出性能衰減的影響。Roberts[6]和Ko等[7]設計了針對氫燃料電池冷啟動的吹掃系統(tǒng)，研究吹掃過程對氫燃料電池冷啟動性能的影響。但是，目前從工程應用的角度出發(fā)，對氫燃料電池系統(tǒng)整個開發(fā)過程的冷啟動優(yōu)化研究幾乎是空白。

本文基于乘用車氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)試驗和優(yōu)化過程，從零部件及管路設計、低溫停機吹掃策略、低溫啟動拉載策略、低溫啟動故障保護策略以及低溫熱管理方案方面研究氫燃料電池冷啟動性能優(yōu)化方法，提出了氫燃料電池系統(tǒng)產(chǎn)品開發(fā)過程中的冷啟動設計原則和參考依據(jù)，同時也可以為氫燃料電池冷啟動機理研究提供參考。

1 低溫冷啟動技術

氫氣和氧在催化劑作用下發(fā)生電化學反應，生成水并放出能量，這是氫燃料電池的作用機理。因此，當氫燃料電池工作時，它會在陰極側產(chǎn)生大量的水，部分水會滲透到陽極側。大部分水將隨著氫氣和空氣的流動而被排出。但是，如果結構設計或運行策略設計不合理，則燃料電池系統(tǒng)關閉后仍可能有一些水停留在電堆膜電極、系統(tǒng)其它部件或管道中，并在冰點溫度下結冰，從而產(chǎn)生如下3個方面的影響[8-9]：

（1）系統(tǒng)輔件或管路內(nèi)出現(xiàn)結冰堵塞，氣體傳質(zhì)受阻，系統(tǒng)無法啟動；

（2）系統(tǒng)執(zhí)行閥件的內(nèi)部動件由于結冰而出現(xiàn)卡滯，無法正常工作，系統(tǒng)無法啟動；

（3）電化學反應生成的水會覆蓋活性表面，減少或阻止反應氣到達反應界面，活性面積被完全覆蓋后導致電池無法啟動，且催化層形成的冰晶會損傷聚合物膜結構，導致質(zhì)子交換膜失效、破裂和穿孔。

因此，氫燃料電池在零度以下的溫度啟動和運行的關鍵問題是啟動、停機策略和排水設計。為了提高燃料電池汽車的冷啟動性能，應考慮如下所述的優(yōu)化。確保排水暢通，避免在零部件和管道內(nèi)有積水。

（1）通過零部件、管路設計優(yōu)化和停機吹掃策略優(yōu)化，確保氫燃料電池系統(tǒng)停機后電堆內(nèi)部、空氣回路和氫氣回路中沒有水。

（2）低溫啟動前，通過機械或加熱的方式，去除輔件中的結冰，確保輔件暢通和運動件正常工作。

（3）在啟動過程中，使用由氫燃料電池本身產(chǎn)生的熱能或外部輔助加熱，以熔化氫燃料電池在低溫下運行時形成的冰。

本文的研究包括系統(tǒng)布局、零部件和管道設計、冷停機吹掃策略、冷啟動策略和故障診斷，以及輔助加熱策略。

1.1 零部件布置及管路優(yōu)化

為了在氫燃料電池堆工作時平穩(wěn)地排出氣體路徑中的水，應考慮3個設計原則：

（1）放置在空氣路徑中的組件高度應隨流動方向而減小；

（2）管道的方向應沿氣流方向向下傾斜；

（3）為盡量減少管道彎管，應正確設計每個管道的長度。

在水平鋪設的管路中，水的排出主要驅動力為氣體流動的推力F0，所受阻力為水與管壁之間的摩擦力f0。當管路增加傾斜角度之后，水的排出主要驅動力F1為氣體流動的推力F0和重力的分力m·g·sinα，所受阻力為水與管壁之間的摩擦力f1。

其中，

式中，μ為滑動摩擦因子；m為水質(zhì)量；g為重力加速度；α為管路傾斜角。

增加傾斜角前后對比：

驅動力：F1=F0+m?g?sinα>F0

阻力：f0=μ·m·g>μ·m·g·cosα=f1

通過驅動力和阻力分析，可知道理論上傾斜角度越大，越有利于排水，但需要根據(jù)對應產(chǎn)品的空間布局確定具體傾斜角。

忽略這些設計原則可能會導致冷啟動失敗，如圖1中（a）所示。這主要是因為氫氣回路中的水被凍結，阻塞了氣體的輸送，所以即使排氣閥一直保持開啟狀態(tài)，氫氣路的壓力還是持續(xù)升高。在低于0 ℃環(huán)境下，本研究對氫氣尾排管的可疑故障點進行了拆解分析，證明了故障原因為氫氣尾排管和氫循環(huán)裝置內(nèi)部結冰。

圖1 低溫下結冰故障和正常運行氫氣壓力對比

如圖2 和圖3 所示，通過設計和布置優(yōu)化減少了氫子系統(tǒng)中管道的數(shù)量和長度，增加了氫氣尾排管與水平面的傾斜角，更有利于排水。增加了氫循環(huán)裝置與安裝面的傾斜角，將噴氫閥置于最高點，分離水后的高濕度氫氣從高位進入氫循環(huán)裝置，若有水凝結，會沿傾斜面流下，防止氫循環(huán)裝置內(nèi)噴氫閥凍結卡滯。通過優(yōu)化設計，可以有效避免發(fā)生水結冰導致的壓力異常故障，保證燃料電池系統(tǒng)冷啟動成功。

圖2 氫氣尾排管設計優(yōu)化

圖3 循環(huán)供氫裝置布置優(yōu)化

1.2 零部件疏水設計

傳感器是氫燃料電池發(fā)動機的重要部件，燃料電池系統(tǒng)會根據(jù)傳感器檢測到的壓力、流量和溫度實時信息進行合理的控制和調(diào)整。為了保證系統(tǒng)在0 ℃以下溫度環(huán)境下正常運行，可以獲取正常的監(jiān)測信號參數(shù)，需要對傳感器進行疏水處理。

圖4是在冷啟動過程中由傳感器結冰引起的燃料電池系統(tǒng)冷啟動失敗故障。氫氣入口壓力傳感器的壓力信號突然上升，超過故障閾值，導致系統(tǒng)冷啟動失敗。故障傳感器的顯微結構如圖5所示，傳感器的探測面被結冰覆蓋，無法正常獲取信號。

圖4 溫度傳感器結冰故障（0 ℃）

圖5 故障傳感器顯微結構

對氫氣入堆壓力傳感器的檢測表面進行疏水處理之后，再進行試驗對比，冷啟動試驗中未發(fā)生傳感器凍結故障，測試數(shù)據(jù)如圖6所示。

圖6 傳感器疏水處理后的系統(tǒng)運行情況

1.3 低溫停機策略

低溫停機策略是在低溫下氫燃料電池堆停止運行過程中進行相應的吹掃，排出電堆和氣體路徑中的水，避免電堆在低溫下儲存水后出現(xiàn)結冰。低溫停機吹掃是整個冷啟動方案的重要保障措施。由于氫氣和空氣在低溫環(huán)境中的飽和蒸氣壓較低，因此攜帶水蒸氣的能力降低了，所以通常的吹掃方法總是使用大量的干氣體[10-11]。本文比較了2種不同的低溫停機吹掃方案。

方案1 如圖7 所示，在保證不出現(xiàn)高電位的情況下，控制一個盡量小的拉載電流，以降低吹掃過程產(chǎn)水量。同時陰極首先采用Q1流量進行組合吹掃方法，當交流阻抗值下降至R2時，改為Q2小流量吹掃，氫燃料電池的內(nèi)阻最終達到相對穩(wěn)定的R1，吹掃時間為t1。

圖7 恒流量吹掃

方案2 如圖8 所示，兩級恒流量吹掃。在第一階段，燃料電池直流變換器（Fuel Cell DCDC Converter,FDC）執(zhí)行恒壓模式，控制電堆輸出電壓，并保持穩(wěn)定的壓力和氣體流量，輸出電流隨著吹掃時間的增加而逐漸減小。當輸出電流下降到設定值時，F(xiàn)DC切換到恒流模式，在恒流模式下，將電堆輸出電流控制為恒定值，隨著吹掃時間的增加，整體電壓逐漸減小。當單電池的最小化電壓降至吹掃閾值時，吹掃結束，總吹掃時間記錄為t2。

圖8 兩級恒流量吹掃

在模式切換時，電堆輸出電壓可能會下降到一定程度，然后恢復。原因是FDC模式切換過程存在響應遲滯，造成電流瞬間震蕩，從而引起電壓震蕩。由于模式切換后為恒電流控制，所以圖8中未顯示出電流的震蕩。

對比數(shù)據(jù)可知，方案2 的吹掃時間t2比方案1 的t1小50%，更有利于完全排出水，從而提高排水效率。同時，通過標定氫氣回路與空氣回路的吹掃壓力、頻率與占空比，既保證吹掃充分，又滿足氫濃度排放標準。根據(jù)電堆冷卻液溫度值，對吹掃次數(shù)和吹掃時間進行實時修正，制定不同溫度下的最佳吹掃方案。

通過實施低溫停機吹掃方案，氫燃料電池發(fā)動機在低溫環(huán)境下可長期放置，不影響性能和壽命，并且可以實現(xiàn)-30 ℃快速冷啟動。

1.4 低溫冷啟動策略

氫燃料電池冷啟動成功的關鍵在于電化學反應過程中所產(chǎn)生的水的結冰速率和冰的融化速率之間的競爭[12-13]。低溫停機吹掃是整個冷啟動方案的重要保障，針對冷啟動過程，設計了一系列冷啟動策略。

在啟動前，系統(tǒng)應完成自檢過程，以確保閥門可以正常工作，沒有卡滯結冰，管路暢通無阻塞。系統(tǒng)自檢完成后，可以開始嘗試系統(tǒng)的冷啟動并加載。加載開始階段先不啟動電堆冷卻水泵，這樣可使電堆反應產(chǎn)生的熱不被冷卻液帶走，而給電堆自身加熱，待達到設定時間后，再啟動水泵，如水泵長時間停轉容易導致溫度不均而可能損傷電堆。水泵何時啟動運轉需根據(jù)不同電堆的特性而定。

同時，根據(jù)氫燃料電池冷卻液出堆溫度和環(huán)境溫度，將氫燃料電池最大允許輸出功率分為n個區(qū)間。在每個溫度區(qū)間內(nèi)，電堆的加載上限是根據(jù)電堆的加載能力和電堆電能的被接收能力來定義。在整車的應用中，電堆電能的接受能力主要包括動力電池的最大充電功率、正溫度系數(shù)（Positive Temperature Coeffi?cient,PTC）加熱器的發(fā)熱功率以及燃料電池空氣壓縮機的功耗。加載功率的設定既要盡可能提升加載功率，提升電堆自加熱能力，以實現(xiàn)快速冷啟動，又要確保動力電池不被過充。同時設置多邊界條件，包括最小單體電壓限值、最大加載功率限值、最大加載電流限值，對冷啟動加載過程進行約束，氫燃料電池發(fā)動機的最大功率限制如圖9所示。

圖9 燃料電池電堆最大功率限制

電堆加載過程中，采用恒電壓控制方法，通過雙閉環(huán)控制算法，以穩(wěn)定電堆電壓為目標控制加載電壓。目標電壓根據(jù)出堆水溫設定，經(jīng)過以上邊界條件約束后作為目標設定值。

如圖10 中的數(shù)據(jù)所示，在各種邊界條件下，氫燃料電池發(fā)動機功率不超過設定的上限，所以當氫燃料電池功率被加載到最高功率后，功率不會增加。在冷啟動過程中，電堆電壓始終保持穩(wěn)定，以確保電池電壓的一致性。

圖10 冷啟動過程數(shù)據(jù)

1.5 冷啟動在線故障診斷策略

冷啟動在線故障診斷是為了保證冷啟動的順利進行，對電堆及零部件進行保護，避免損壞。本文主要研究和測試了以下3種冷啟動在線故障診斷策略。

（1）空氣壓力值采樣故障診斷

入堆空氣往往為濕空氣，因此在低溫下，空氣入堆壓力傳感器由于附著有水而產(chǎn)生結冰，由于冰的作用，傳感器的壓力值會異常上升而產(chǎn)生入堆空氣壓力過高的誤判，導致故障而使電堆停機。為避免此誤判，設計了對入堆空氣壓力值的診斷及冗余控制。當入堆空氣壓力值異常升高時，通過對升高的幅值與斜率閾值進行分析，判斷其是否為結冰導致，如判斷為結冰導致，則以中冷器出口空氣壓力值為基礎，通過流量和壓力降進行計算，得出替代值，如圖11所示。

圖11 結冰傳感器數(shù)據(jù)校正

（2）閥門卡滯故障診斷

通過對比閥門開度設定值與反饋值的差值，來判斷閥門是否由于管道冰塊卡滯。若差值大于限制，則判斷為閥門結冰卡滯，無法進行冷啟動，需要對閥門進行破冰處理。通過若干次破冰處理后，若閥門仍然卡滯，無法進行冷啟動，則判定為閥門故障，停止冷啟動，避免零部件及電堆的損傷。如圖12所示，系統(tǒng)狀態(tài)由“就緒（Ready）”進入“冷啟動（Cold start）”，某閥門經(jīng)過了開關自檢，并進行了設定次數(shù)的破冰處理，最終冷啟動成功。

圖12 冷啟動過程閥門故障診斷

（3）重復加載次數(shù)故障診斷

冷啟動時，如第一次加載失敗，可再次嘗試加載，但如果重復加載次數(shù)過于頻繁，可能導致質(zhì)子交換膜穿孔，造成不可恢復的損傷[14]，圖13 為本研究的冷啟動失敗重復加載過程。

圖13 冷啟動失敗重復加載過程

進行詳細分析后發(fā)現(xiàn)，在第一次冷啟動加載失敗后，電堆會執(zhí)行降功率策略，無法穩(wěn)定輸出功率。此時，電堆電壓將降至閾值以下，系統(tǒng)將停止工作。當電堆電壓再次達到加載閾值時，電堆將繼續(xù)再次輸出功率。如果重復多次后失敗，則確定冷啟動失敗。需要先使用其它解決方案（如輔助加熱）來加熱電堆，然后在達到設定的溫度條件后重新啟動系統(tǒng)。圖13為冷啟動加載失效判斷的測量數(shù)據(jù)。在嘗試加載次數(shù)達到故障設置閾值后，系統(tǒng)狀態(tài)從冷啟動狀態(tài)進入緊急關機。

1.6 冷啟動輔助加熱設計

氫燃料電池堆在工作時產(chǎn)生水和熱量。當氫燃料電池在低溫下開始加負載時，產(chǎn)生的熱量會使冰融化，但如果產(chǎn)生的熱量不足，產(chǎn)生的水就會迅速凍結。如果氫燃料電池堆中反應產(chǎn)生的水的結冰速率高于冰的融化速率，則將導致冷啟動故障[15]。因此，在冷啟動時增加電堆功率可以有效地提高冷啟動的成功率。如圖14 所示，在溫度為-20 ℃時，通過增加冷啟動電堆功率，冷啟動時間明顯縮短。

圖14 不同冷啟動方法的溫度曲線

然而，在-30 ℃或更低的溫度下，氫燃料電池的功率是有限的，并且所產(chǎn)生的熱量也是有限的。如果只是通過自加熱，冷啟動時間更長，甚至冷啟動失敗。張建波等[16]通過冷啟動專利的分類梳理指出，依靠附加熱源預熱電堆，可避免電堆在低溫下啟動初始階段催化劑層以及氣體擴散層（Gas Diffusion Layer,GDL）中形成大量的冰。

為了有效地提高冷啟動性能，在熱管理回路中設計了一個電加熱器來加熱電堆冷卻液。在本研究的實際方案中，由于電堆冷卻液溫度主要保持在60～80 ℃，接近整個車輛的暖風加熱溫度，所以電堆的冷卻回路和空調(diào)的熱空氣回路耦合共用加熱器。該加熱器可對電堆冷卻回路和空調(diào)加熱器的兩個回路進行加熱，也可利用電堆冷卻回路的余熱對空調(diào)加熱器進行加熱。這不僅降低了系統(tǒng)的復雜性，而且實現(xiàn)了對電堆余熱的充分利用，提高了系統(tǒng)的整體能源效率。

本文主要研究了耦合加熱模式，如圖15所示。在控制器發(fā)出冷啟動模式信號后，二通閥與三通閥均開啟，使暖風回路與電堆冷卻回路相通，加熱器啟動后，同時開啟暖風水泵，熱水經(jīng)過暖風芯體及二通閥后流入電堆回路混合，可有效加熱電堆回路冷卻液。同時還可將熱引入到其它部件，有助于零部件的化冰及防結冰，耦合加熱后，成功實現(xiàn)了-30 ℃啟動。

圖15 空調(diào)耦合冷卻系統(tǒng)示意

2 總結與展望

目前，氫燃料電池系統(tǒng)低溫冷啟動的核心技術是防止結冰和快速升溫。本文研究表明，氫燃料電池系統(tǒng)的以下設計措施可以有效地幫助低溫冷啟動。

（1）零部件布置和管路走向應有利于排水，避免積水。

（2）傳感器是易受結冰影響正常工作的零部件，需考慮采用疏水涂層，防止低溫下傳感器失效。

（3）停機時吹掃，停機前對電堆、部件、管道中的殘余水進行吹掃排出，避免結冰。

（4）提出了恒壓控制加載策略，在穩(wěn)定電壓的同時，增加自加熱功率，穩(wěn)定電壓，確保單體電壓一致性，保護其它用電設備。

（5）在冷啟動過程中，實施過程診斷是為了確保冷啟動的成功和保護部件。

（6）通過引入外部熱源，對電堆、零部件及管路進行加熱除冰，是實現(xiàn)低溫冷啟動的有效手段。

目前，燃料電池汽車行業(yè)基本已達到在-30 °C下、5 min內(nèi)成功啟動的技術水平。即便如此，關于低溫冷啟動的研究仍在進行中，啟動時間、能耗方面仍然需要進行優(yōu)化。因此，今后需要努力研究提高低溫冷啟動效率，降低能耗和氫耗。如整個系統(tǒng)的無積水設計、電堆啟動自加熱技術等，同樣包括硬件設計和軟件策略的優(yōu)化。隨著材料技術、電堆、組件設計技術和系統(tǒng)控制技術的不斷進步，相信在未來3～5 年內(nèi)，可以實現(xiàn)-40 ℃低能耗快速啟動，徹底解決氫燃料電池發(fā)動機的低溫冷啟動問題，助力氫燃料電池汽車普及。