車(chē)用大功率燃料電池低溫冷啟動(dòng)分析

趙金剛 張彥偉 王國(guó)增 朱錫慶 杭磊

(海馬汽車(chē)有限公司)

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）相比傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，擁有其特有優(yōu)勢(shì)[1-3]，PEMFC的高效率、高比功率、零排放及響應(yīng)快速等特性使其成為未來(lái)汽車(chē)領(lǐng)域最有潛力的動(dòng)力源[4-5]。車(chē)用PEMFC在商業(yè)化進(jìn)程中，冷啟動(dòng)困難或啟動(dòng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)是主要制約因素之一[6-8]。目前，國(guó)內(nèi)外車(chē)型對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷啟動(dòng)能力進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，國(guó)外相關(guān)車(chē)型已量產(chǎn)且技術(shù)相對(duì)成熟[9-10]，國(guó)內(nèi)大多從實(shí)際運(yùn)行情況來(lái)看，在低溫啟動(dòng)方面的技術(shù)稱(chēng)不上很好，如表1所示。從表1可以看出，國(guó)內(nèi)部分車(chē)型沒(méi)有明確啟動(dòng)時(shí)間，一方面相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的暫缺，另一方面可靠性方面有待市場(chǎng)驗(yàn)證。

表1 國(guó)內(nèi)外對(duì)標(biāo)車(chē)型冷啟動(dòng)情況

文章擬開(kāi)發(fā)的大功率燃料電池乘用車(chē)項(xiàng)目，截止目前，國(guó)內(nèi)還沒(méi)有關(guān)于120 kW大功率燃料電池乘用車(chē)的相關(guān)文獻(xiàn)，甚至鮮有報(bào)道。文章結(jié)合實(shí)際情況及擬開(kāi)發(fā)項(xiàng)目目標(biāo)需求，通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)某型號(hào)120 kW燃料電池進(jìn)行低溫冷啟動(dòng)初步匹配并摸底分析，初步得出在理想情況下整車(chē)在-30℃下低溫啟動(dòng)時(shí)間，其分析結(jié)果為后期擬開(kāi)發(fā)車(chē)型目標(biāo)的設(shè)定提供了理論依據(jù)，同時(shí)也曝露出冷啟動(dòng)短板，若要與對(duì)標(biāo)車(chē)型相當(dāng)，必須選擇更加先進(jìn)的燃料電池電堆及控制策略。

1 擬開(kāi)發(fā)車(chē)型參數(shù)設(shè)定

根據(jù)實(shí)際情況及預(yù)研項(xiàng)目需求，擬開(kāi)發(fā)車(chē)型目標(biāo)初步設(shè)定如表2所示。

表2 整車(chē)技術(shù)參數(shù)

文章擬選擇的120 kW燃料電池電堆，具體技術(shù)參數(shù)如表3所示。

表3 某型號(hào)120 kW燃料電池技術(shù)參數(shù)

2 冷啟動(dòng)熱平衡分析

2.1 燃料電池冷啟動(dòng)分析假設(shè)

PEM燃料電池一般由膜電極、金屬雙極板、集流板、絕緣板和端板等組件組成。整個(gè)電堆系統(tǒng)由120 kW電堆、空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)、高/低壓系統(tǒng)等組成。建立的電堆及其系統(tǒng)冷啟動(dòng)模型，做出以下假設(shè)：1）電堆停機(jī)后內(nèi)部水被吹掃干，即啟動(dòng)前內(nèi)部不存在初始水；2）電堆材料物性參數(shù)不隨溫度變化而變化；3）忽略電堆組件向外界環(huán)境的散熱；4）忽略冷卻水通過(guò)時(shí)的熱損失；5）鎳氫電池在最低工作環(huán)境溫度-30℃下，按照輸出功率6 kW時(shí)可持續(xù)放電5 s，每間隔時(shí)間10 s，假設(shè)能夠放電n次；6）按照提供的電堆規(guī)范，電堆及小循環(huán)水加熱至0℃時(shí)即認(rèn)為電堆啟動(dòng)成功[14]。

2.2 燃料電池冷啟動(dòng)原理圖

燃料電池冷啟動(dòng)系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)一回路，小循環(huán)水體積約為1.6 L，串聯(lián)一個(gè)5.5 kW PTC加熱器，如圖1所示，該系統(tǒng)由電堆、PTC、低壓電子風(fēng)扇和電控三通閥等組成。

圖1 電堆冷啟動(dòng)加熱原理圖

3 冷啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算

基于上述冷啟動(dòng)熱平衡分析假設(shè)及控制策略，結(jié)合電堆結(jié)構(gòu)、部分物理常數(shù)和材料物性參數(shù)[11]，對(duì)120 kW燃料電池電堆從-30℃加熱至0℃冷啟動(dòng)階段所需熱量進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算得到-30℃冷啟動(dòng)總時(shí)間為769.7 s即約13 min。

表4 -30°C至0°C電堆冷啟動(dòng)階段熱量及啟動(dòng)時(shí)間計(jì)算

4 結(jié)論

綜上所述，預(yù)研項(xiàng)目首次采用國(guó)內(nèi)先進(jìn)的某型號(hào)120 kW大功率燃料電池電堆，根據(jù)開(kāi)發(fā)目標(biāo)需求，通過(guò)對(duì)燃料電池電堆低溫啟動(dòng)熱平衡分析，計(jì)算得到在理想情況下從-30℃低溫啟動(dòng)所需時(shí)間約13 min，而實(shí)際現(xiàn)實(shí)中所需啟動(dòng)時(shí)間將會(huì)更長(zhǎng)。文章分析結(jié)果將為擬開(kāi)發(fā)車(chē)型目標(biāo)的設(shè)定提供參考。

因文中采用的大功率電堆本身并不具備自加熱功能，再加上采用外部加熱控制策略，導(dǎo)致所需低溫啟動(dòng)時(shí)間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)對(duì)標(biāo)車(chē)型如豐田MIRAI、本田CLARITY、現(xiàn)代NEXO的冷啟動(dòng)時(shí)間。若要與對(duì)標(biāo)車(chē)型相當(dāng)，必須選擇更加先進(jìn)的燃料電池電堆和冷啟動(dòng)控制策略，因此行業(yè)內(nèi)開(kāi)發(fā)車(chē)規(guī)級(jí)先進(jìn)的大功率且具備自加熱功能的燃料電池已迫在眉睫。