車載燃料電池系統(tǒng)高原環(huán)境適應(yīng)性研究

摘要：針對氫燃料電池性能對陰極壓力和流量十分敏感，尤其是高海拔地區(qū)。利用氫燃料電池汽車高海拔環(huán)境相關(guān)試驗數(shù)據(jù)分析研究，分別從動力性、經(jīng)濟性方面探討此環(huán)境下燃料電池系統(tǒng)綜合表現(xiàn)。結(jié)果表明：燃料電池系統(tǒng)動力性能受高原海拔環(huán)境影響較大，額定功率衰減在30%左右，通過調(diào)整陰極匹配參數(shù)和優(yōu)化控制策略，提升高海拔環(huán)境下系統(tǒng)的適應(yīng)能力，為燃料電池在高海拔環(huán)境下匹配設(shè)計做參考。

關(guān)鍵詞：氫燃料電池；高海拔；低氣壓；極化曲線

氫燃料電池汽車作為新能源汽車一種，憑借其終極能源的特征，尤其在物流運輸車輛的應(yīng)用推廣方面有著優(yōu)勢[1-2]。據(jù)統(tǒng)計2021—2023年，燃料電池重型貨車總銷量為6694臺，其中2023年銷量3458臺，占比51.7%。然而研究表明，燃料電池的發(fā)電效率、工作電壓和可靠性能與環(huán)境溫度、濕度和供氣流量壓力強相關(guān)[3-4]，

氫燃料電池汽車運行特性在四高環(huán)境下十分敏感。

本文介紹了高海拔環(huán)境下，燃料電池系統(tǒng)功能評價，并與平原地區(qū)做對比定量討論空氣系統(tǒng)變量對燃料電池影響，為燃料電池系統(tǒng)環(huán)境適應(yīng)性匹配設(shè)計提供依據(jù)。

海拔高度對燃料電池影響

對于燃料電池性能運行工況，由能斯特方程[5]可表示為：

（1）

式中 ENment——電池電勢；

Po2、PH2、PH2o——分別為氧氣、氫氣、水的分壓，單

位為atm（1atm=101.325kPa）；

T——電池溫度，單位為K；

F——法拉第常數(shù)；

E0——標(biāo)準(zhǔn)壓力和溫度下的理論電勢；

R——氣體常數(shù)。

隨著海拔上升，大氣壓力和空氣中含氧量隨之下降。電池的理論電勢降低，活化損失[6]增大，同時氣體擴散能力減弱，濃差極化[7]損失增大。在壓力與流量兩種因素的共同影響下，電池輸出功率出現(xiàn)明顯衰減。不同海拔高度下的性能仿真數(shù)據(jù)如圖1所示。

1.地點與環(huán)境

高原地區(qū)：青海格爾木，平均海拔2900m，大氣壓力73kPa，環(huán)境濕度RH20%，溫度25℃。

平原地區(qū)：安徽合肥，平均海拔0m，大氣壓力101kPa，環(huán)境濕度RH70%，溫度31℃。

2.試驗車輛

車輛來自江淮輕客車型星銳，電堆來自大連新源額定功率36kW。整車和動力系統(tǒng)具體參數(shù)見表1。

3.測試準(zhǔn)備

6afffc9aff9df2a29365642db8a5b36a1） 整車狀態(tài)確認(rèn)：動力電池電量SOC處于30%～60%，氫氣加滿狀態(tài)，車輛一般性檢測要求符合。

2） 相關(guān)設(shè)備連接確認(rèn)：將CANoe、USBCAN2.0一端通過OBD接口分別接入整車CAN總線系統(tǒng)，另一端連接至筆記本USB接口、將氫氣流量計接入FCU采集流量數(shù)據(jù)。

3）數(shù)據(jù)記錄：使用CANoe記錄所有CAN信號，上位機記錄控制面板數(shù)據(jù)，重點關(guān)注DCDC輸出電流、母線電壓、電堆輸出功率、電堆運行時間、輔助系統(tǒng)電流及氫氣流量等數(shù)據(jù)。

試驗數(shù)據(jù)分析

1.極化性能

如圖2所示，平原曲線為電堆正常操作條件下的極化性能，而高原1數(shù)據(jù)測試條件為提高陰極供氣量得出性能最優(yōu)值，見表2，即當(dāng)前電流燃料電池輸出最大功率值。高原2數(shù)據(jù)與平原數(shù)據(jù)為同一系統(tǒng)操作條件。

高原數(shù)據(jù)1中，在陰極供氣量充足，燃料電池性能達(dá)到高海拔環(huán)境最大值，與平原單體壓差＜0.02V（電流＜120A）。隨著電流增大，供氣系統(tǒng)性能達(dá)到極限，氣體擴散速率相對于電流的轉(zhuǎn)化速率開始變慢，濃度極化影響增大，單體壓差達(dá)到0.045V，功率損失2kW。且由于燃料電池電壓輸出值限制，此系統(tǒng)在73kPa高海拔環(huán)境下輸出功率最高為24.7kW。數(shù)據(jù)2中，與平原環(huán)境同樣操作條件，由于低壓環(huán)境影響，此時對應(yīng)流量已不足支撐170A電流拉取，此時，最大輸出功率僅22.2kW。

2.燃料電池系統(tǒng)輸出性能

燃料電池系統(tǒng)凈輸出與空壓機寄生負(fù)載相關(guān)，一定條件下，空壓機供氣量有益于提高燃料電池輸出，但自身能量消耗隨之增加。然而高海拔環(huán)境，燃料電池與輔助系統(tǒng)功耗關(guān)系更加復(fù)雜。

如圖3所示，高海拔環(huán)境燃料電池系統(tǒng)最大輸出功率21.6kW，低于平原地區(qū)23.2kW。

低電流（＜60A）運行系統(tǒng)性能受空氣系統(tǒng)影響較小，中等電流（＜140A）系統(tǒng)適宜在平原操作條件下運行，而高電流下空氣供氣量增加帶來燃料電池性能增益大于空壓機功耗。

3.燃料電池系統(tǒng)效率

燃料電池系統(tǒng)效率是衡量燃料電池系統(tǒng)經(jīng)濟性能的重要指標(biāo)，它與氫氣轉(zhuǎn)化率、電堆效率及系統(tǒng)負(fù)載等參數(shù)相關(guān)。高海拔環(huán)境引起的電堆性能衰減、輔助功耗增加，最終導(dǎo)致系統(tǒng)工作效率降低。如圖4所示，工作電流越大，效率變化越明顯，最大功率點效率降低近4%。

4.氫氣消耗量

燃料電池將氫氣轉(zhuǎn)化為電能，氫氣轉(zhuǎn)換效率即利用率代表了燃料電池氫氣系統(tǒng)最重要設(shè)計指標(biāo)。如圖5所示，高海拔與平原地區(qū)氫耗量基本相同，高電流工作區(qū)由于絕對壓力降低，氫氣供氫壓力減小，氫耗量降低，但仍可維持電流輸出，對應(yīng)利用率增加。

5.空氣系統(tǒng)對燃料電池性能影響

高海拔環(huán)境試驗數(shù)據(jù)見表3，燃料電池性能同時受到空氣計量比和入口壓力影響。高海拔環(huán)境帶來的大氣壓和氧含量不足的情況，使得燃料電池電壓低于正常水平。通過增加空壓機轉(zhuǎn)速，提高空氣供氣量和進氣壓力，此時燃料電池電壓有所改善，直至增加到臨界值。

燃料電池拉取電流98A，當(dāng)進氣流量為35.6g/s，空氣計量比4.6滿足電堆計量比操作需求，然而對比不同海拔環(huán)境燃料電池電壓分別為1.445V、1.48V，相對壓力分別為33kPa、23kPa，絕對壓力為106kPa、123 kPa，可認(rèn)為絕對壓力不足，影響氣體傳質(zhì)效率，使得燃料電池性能有所衰減，單體電壓損失0.0175V，衰減較小。

結(jié)語

高海拔環(huán)境對燃料電池系統(tǒng)性能有較大影響，2900m海拔高度，由于空壓機性能限制，燃料電池最大輸出為22.2kW，對比平原環(huán)境額定輸出33kW，性能衰減33%，通過調(diào)整系統(tǒng)空氣供應(yīng)量，燃料電池最大可輸出24.7kW，系統(tǒng)最大功率21.6kW，效率降低4%。

空氣系統(tǒng)中進氣流量、壓力和燃料電池性能相關(guān)。提高空氣進氣壓力和進氣量有助于提升燃料電池輸出性能，尤其在高電流工作區(qū)，有利于降低濃度極化影響。

高海拔環(huán)境燃料電池系統(tǒng)匹配重點在于：電堆正常工作條件下，通過提高陰極進氣壓力和流量，保證系統(tǒng)凈輸出功率及效率最優(yōu)。

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