PEM燃料電池電堆低溫起動試驗*

李義 許思傳 張潔

（同濟大學(xué) 新能源汽車工程中心）

PEM燃料電池電堆低溫起動試驗*

李義 許思傳 張潔

（同濟大學(xué) 新能源汽車工程中心）

為評價不同參數(shù)對PEM燃料電池電堆低溫起動性能的影響，搭建了燃料電池電堆低溫起動試驗平臺，對5 kW燃料電池電堆在-5℃、-10℃和-15℃下的低溫起動性能進行了試驗研究。結(jié)果表明，在低溫下恒電壓模式比恒電流模式更有利于電堆升溫；電堆起動電壓為30 V時升溫速度快于40 V和20 V時；初始溫度越低時電堆升溫速率越慢。另外，經(jīng)過低溫起動后電堆性能發(fā)生了衰減，電鏡掃描結(jié)果也顯示經(jīng)過低溫起動后電堆質(zhì)子交換膜局部出現(xiàn)了破損，應(yīng)采取措施減緩低溫起動對電堆的損傷。

1 前言

質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)在國際上被普遍認為是未來汽車動力最有前途的解決方案之一。PEM燃料電池汽車目前還處于研發(fā)階段，其商業(yè)化發(fā)展面臨的最主要障礙是電池成本和耐久性問題[1]。因PEM燃料電池汽車在環(huán)境溫度較低下運行時，燃料電池產(chǎn)生的水在低溫下很容易發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致電池?zé)o法運行或運行很短時間就被迫停機，而反復(fù)起動可能會破壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，繼而嚴重影響電池的使用壽命。

國內(nèi)外學(xué)者[2～8]在燃料電池低溫起動的產(chǎn)水結(jié)冰機理方面、低溫起動對燃料電池性能的影響方面、燃料電池低溫起動的外部影響因素方面、燃料電池低溫起動的模型研究方面進行了大量研究，但以上研究均只側(cè)重于單電池的低溫起動，未研究PEM燃料電池電堆的低溫起動特性。而車用PEM燃料電池電堆是由幾十甚至幾百片單電池組成，在低溫起動過程中單電池之間會相互影響，故有必要對車用PEM燃料電池電堆進行低溫起動研究。為此，基于車用燃料電池電堆搭建了低溫起動試驗臺架，對電堆低溫起動性能進行試驗研究。

2 PEM燃料電池電堆及試驗臺架

本試驗采用的PEM燃料電池電堆（下稱電堆）為額定凈功率為6 kW的觀光車用電堆，以此電堆為核心集成的燃料電池系統(tǒng)分為氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)以及電子負載與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖1所示。搭建的試驗臺架如圖2所示，其中高、低溫交變試驗箱PTC1410-D用于電堆的降溫冷卻，模擬冬季的低溫環(huán)境。在試驗中，除儲氫系統(tǒng)外，其它系統(tǒng)部件均在環(huán)境倉內(nèi)。

氫氣供給系統(tǒng)給電堆陽極提供足量燃料供給，并使氫氣壓力保持在電堆可承受范圍內(nèi)；空氣供給系統(tǒng)根據(jù)電堆電流或負載工況，通過調(diào)節(jié)風(fēng)機轉(zhuǎn)速提供足量空氣供給；冷卻液循環(huán)系統(tǒng)通過大、小循環(huán)電磁閥來實現(xiàn)電堆的溫度控制；電子負載提供外電路不同工況；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣時間間隔為1 s，具備監(jiān)測電堆與單電池性能的能力。本文電堆是由90片活性面積為250 cm2的單電池構(gòu)成。

電堆低溫起動性能影響因素試驗測試流程如下：

a.電堆在額定條件下運行直到電堆電壓穩(wěn)定，保證每次低溫起動試驗前電堆內(nèi)部水的分布及濕度的均勻性和穩(wěn)定性；

b.通過停機進行吹掃來減少電堆內(nèi)含水量，其中，將風(fēng)機調(diào)至最大轉(zhuǎn)速對陰極側(cè)進行吹掃，利用氮氣對陽極側(cè)進行吹掃；

c.開啟高低溫交變箱給電堆降溫，降溫10 h后開啟小循環(huán)冷卻回路，通過電堆出口處溫度傳感器監(jiān)測電堆內(nèi)部溫度[9]，如果電堆出口處溫度保持恒定，則認為電堆內(nèi)部溫度分布均勻，如果電堆出口處溫度是變化的，則繼續(xù)冷卻電堆，直到電堆出口處溫度保持恒定為止；

d.進行低溫起動試驗并采集試驗數(shù)據(jù)；

e.重復(fù)上述試驗過程直至試驗測試結(jié)束。

3 試驗結(jié)果與分析

3.1 不同起動方式對電堆低溫起動性能的影響

比較了恒電壓模式與恒電流模式起動對電堆低溫起動的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，恒電壓模式下電流值有一個快速上升的過程，此時的電流值是電堆在當(dāng)前狀態(tài)下所能產(chǎn)生的最大電流，同時產(chǎn)生了最高的熱量，在相對較低的起動電壓下，恒電壓模式比恒電流模式更能實現(xiàn)電堆的快速升溫[10]。后續(xù)試驗均采用恒電壓模式。

3.2 初始溫度、起動電壓對電堆低溫起動性能的影響

圖4為電堆初始溫度約為-5℃時，不同起動電壓對電堆低溫起動性能的影響結(jié)果。從圖4可看出，起動電壓為30 V時的電堆溫度上升到零度的時間比起動電壓為40 V時要短。這是由于起動電壓較低時，根據(jù)電堆的發(fā)熱量公式（1）可知電堆電流相對較大，所以電堆產(chǎn)熱率也較高，電堆溫升快。

式中，Q為電堆發(fā)熱量；VC為電堆平均單體電壓；n為電堆單體數(shù)；i為電堆電流；t為電堆起動時間。

圖5為電堆初始溫度約為-15℃時，不同起動電壓對電堆低溫起動性能的影響結(jié)果。從圖5可看出，起動電壓為20 V時，電堆低溫起動失敗；起動電壓為30 V時，電堆起動成功。這是由于起動電壓過低時，由于電堆電流較大，根據(jù)電堆的產(chǎn)水量公式（2）可知電堆產(chǎn)水量也較大，故在低溫下更容易結(jié)冰。這將導(dǎo)致電堆催化層活性面積逐漸被冰覆蓋，電堆電流不斷減小直至電堆催化層完全被冰覆蓋，此時電流降為零，電堆低溫起動失敗。

式中，mH2O為電堆產(chǎn)水量。

從起動電壓對電堆低溫起動影響的試驗結(jié)果可知，低溫起動過程是電堆發(fā)熱與產(chǎn)水結(jié)冰之間相互“競爭”的過程，若既要增加電堆在低溫起動過程中的產(chǎn)熱量，又要盡量減少電堆在反應(yīng)中的產(chǎn)水量，則起動電壓取值既不能太高也不能太低。本試驗的3個起動電壓值中，30 V是最佳起動電壓值。

從圖5b還可看出，電堆溫度上升到約-4℃時，電堆電流基本保持不變，電堆溫度上升到-2℃時，電堆電流開始快速增大。這是由于電堆溫度在約-4℃時，其產(chǎn)熱率與水結(jié)冰速率處于動態(tài)平衡，此時電流基本保持不變。隨電堆溫度繼續(xù)升高，電堆產(chǎn)熱速率大于水結(jié)冰速率，電堆內(nèi)部催化層活性面積不斷增加，電堆電流迅速增大。因此只要電堆溫度升溫能超過-4℃，電堆低溫起動即可成功，這與文獻[9]中認為陰極催化層中水的冰點約為-4℃的觀點一致。

3.3 初始溫度和起動電壓對電堆溫升速率的影響

圖6為30 V恒電壓模式下，不同電堆初始溫度時低溫起動過程中溫度變化曲線。從圖6可看出，電堆初始溫度越低，溫升速率越緩慢，電堆低溫起動越困難。

圖7為電堆初始溫度為-10℃，以不同電壓起動時的電堆溫度變化曲線。從圖7可看出，起動電壓為30 V時，電堆溫升上升到0℃的時間最短，但初始電壓更低時（20 V），電堆溫度上升到0℃的時間反而相對更長，這是由于電堆低溫起動過程中，在不同起動電壓下的產(chǎn)熱率與產(chǎn)水速率不同導(dǎo)致。

3.4 低溫起動對電堆性能的影響

圖8為低溫起動試驗前、后在50℃電堆額定運行狀態(tài)下測得的電堆極化曲線。從圖8可看出，經(jīng)過9次電堆低溫起動試驗后，電堆性能發(fā)生了明顯衰減。試驗還對經(jīng)歷低溫起動后的電堆內(nèi)部單電池進行了電鏡掃描，如圖9所示。由圖9可看出，經(jīng)過低溫起動后，由于反復(fù)的冰凍和解凍，電堆質(zhì)子交換膜上出現(xiàn)了裂紋及穿孔，這直接導(dǎo)致了電堆的損傷。

4 結(jié)束語

a.由于恒電壓模式下，電堆產(chǎn)生的電流是電堆在當(dāng)前狀態(tài)下所能產(chǎn)生的最大電流，同時產(chǎn)生了最高的熱量，故恒電壓模式相對于恒電流模式更能促進電堆在冰點下的快速升溫；

b.起動電壓為30 V時，電堆升溫速率快于起動電壓為40 V和20 V時，這說明起動電壓并非越低越好，起動電壓越低發(fā)熱量越大，但此時的產(chǎn)水量也越大，越容易結(jié)冰。

c.電堆溫度升至約-4℃時，電堆產(chǎn)熱率與水結(jié)冰速率處于動態(tài)平衡，此時電流基本保持不變，隨電堆溫度繼續(xù)升高，電堆產(chǎn)熱速率大于水結(jié)冰速率，電堆電流值迅速增大，因此在保證電堆溫度上升到約-4℃，且電堆的電流不為零，則可實現(xiàn)電堆低溫起動。

d.電堆初始溫度越低，溫升速率越緩慢，電堆低溫起動越困難；

e.經(jīng)過冷起動試驗后電堆性能出現(xiàn)了衰減，必須采取措施減緩低溫起動對電堆的損傷。

1 Wang Y,Chen K S,Mishler J,et al.A review of polymerelectrolyte membrane fuel cells:technology,applications, and needs on fundamental research.Applied Energy,2011, 88:981～1007.

2 Ishikawa Y,Morita T,Nakata K,et al.Shiozawa.Behavior of water below the freezing point in PEFCs.Journal of Power Sources 163（2007）:708～712.

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7 Hua Meng.A PEM fuel cell model for cold-start simulations.Journal of Power Sources 178（2008）:141～150.

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9 Pinton E,Fourneron Y,Rosini S,et al.Experimental and the?oretical investigations on a proton exchange membrane fuel cell starting up at subzero temperatures.Journal of Power Sources,2009,186:80～88.

10 JiaoKui,Alaefour IE,Karimi G,et al.Cold start characteris?tics of proton exchange membrane fuel cells.International journal of hydrogen energy,2011;36:11832～11845.

（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年8月24日。

表5 動力性與經(jīng)濟性試驗結(jié)果

6 結(jié)束語

依據(jù)車輛在動力性和經(jīng)濟性方面的設(shè)計需求，確定了CA7CH350D濕式DCT的總體結(jié)構(gòu)方案，并對變速器同步器、駐車機構(gòu)和換擋機構(gòu)的結(jié)構(gòu)、布置形式和性能參數(shù)進行了分析，同時對變速器的空間布置關(guān)系進行了詳細的說明，最后對裝載所設(shè)計變速器的車輛進行了道路測試。試驗結(jié)果表明，車輛的動力性和經(jīng)濟性滿足設(shè)計需求，證明了CA7CH350D濕式DCT設(shè)計合理，可以實現(xiàn)工程化運用。

參考文獻

1 劉唯信.汽車設(shè)計.北京：清華大學(xué)出版社，2001.

2 葛安林.車輛自動變速器理論與設(shè)計，機械工業(yè)出版社，1993.

3 牛銘奎.雙離合器式自動變速器簡介.汽車工藝與材料，2002，12：36～38.

4 牛銘奎.雙離合器式自動變速器換擋特性研究.汽車工程，2004，4：453～457.

5 牛銘奎.雙離合器式自動變速器系統(tǒng)，汽車技術(shù)，2004，6：1～3.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Cold Starting Test of a PEM Fuel Cell Stack

Li Yi,Xu Sichuan,Zhang Jie
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

In order to evaluate the influence of different parameters on the cold start performance of PEM fuel cell stack,an experimental platform on the cold start of fuel cell stack is established,the cold start performance of a 5 kW fuel cell stack is studied at temperatures of-5℃,-10℃and-15℃.The results show that potentiostatic mode is more advantageous to the temperature rise of fuel cell stack than the galvanostatic mode,and the temperature rises faster when the start voltage is 30 V compared with 40 V and 20 V.And the lower initial temperature,the slower the fuel cell stack temperature rising rate is.Furthermore,stack degradation occurs after the cold start,and the fuel cell stack proton exchange membrane damage is observed by SEM after cold starting,therefore measures shall be taken to mitigate the damage of the fuel cell stack caused by cold starting.

Fuel cell stack,Cold start,Test

燃料電池電堆 低溫起動 試驗

U463.64

A

1000-3703（2015）03-0031-05

國家“863”項目（2012AA110501）。