車(chē)用PEMFC電堆典型道路工況低溫起動(dòng)試驗(yàn)研究

李友才

(河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南鄭州 450001)

車(chē)用PEMFC 因其效率高、工作溫度低和零排放等優(yōu)點(diǎn)而成為電動(dòng)汽車(chē)的理想動(dòng)力源，但PEMFC 商業(yè)化應(yīng)用仍然受到低溫起動(dòng)、耐久性和可靠性等技術(shù)瓶頸的限制。當(dāng)環(huán)境溫度低于0 ℃，PEMFC 內(nèi)殘存的水將會(huì)結(jié)冰，導(dǎo)致燃料電池?zé)o法起動(dòng)或運(yùn)行時(shí)間很短就被迫停機(jī)，而反復(fù)起動(dòng)對(duì)燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成破壞，對(duì)PEMFC 可靠性和使用壽命造成嚴(yán)重的影響[1-2]。國(guó)內(nèi)外學(xué)者[3-10]在PEMFC 低溫起動(dòng)的融冰/結(jié)冰、內(nèi)部與外部影響因素和建模等方面進(jìn)行很多研究，但以上研究均側(cè)重于單電池或幾片電池低溫起動(dòng)與運(yùn)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(duì)車(chē)用PEMFC 電堆進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)研究。本文根據(jù)制定的典型道路工況對(duì)6 kW 燃料電池電堆進(jìn)行功率加載、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)運(yùn)行數(shù)據(jù)采集，以此來(lái)研究在低溫環(huán)境下PEMFC 電堆的運(yùn)行特性。

1 試驗(yàn)方案

(1)試驗(yàn)設(shè)備

額定功率為6 kW 的PEMFC 電堆1 臺(tái)，測(cè)量電堆溫度的溫度傳感器4 個(gè)，氫氣流量計(jì)1 個(gè)，測(cè)量空氣供給系統(tǒng)、氫氣供給系統(tǒng)和冷卻系統(tǒng)的壓力傳感器3 個(gè)，穩(wěn)壓電源3 臺(tái)，冰點(diǎn)為―35 ℃的防凍液10 L，防凍液軟管3 m，信號(hào)采集線9 m，型號(hào)為WCL488-400-1000-12000 的電子負(fù)載和可編程直流電源各1 臺(tái)，電加熱器2 個(gè)，定做的系統(tǒng)安裝支架1 個(gè)。PEMFC電堆低溫運(yùn)行試驗(yàn)布置示意圖如圖1 所示[1,3]。

圖1 PEMFC電堆試驗(yàn)布置示意圖

(2)試驗(yàn)步驟

(a)按照試驗(yàn)要求，在PEMFC 電堆陰極進(jìn)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(yáng)極進(jìn)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(jìn)出口安裝溫度和壓力傳感器，如圖1 所示。

(b)將各個(gè)傳感器安裝在待測(cè)管路上，并確保電堆陰陽(yáng)極進(jìn)出口及其管路連接密封良好，確保電堆冷卻系統(tǒng)及其管路連接密封良好，無(wú)漏氣、無(wú)漏液現(xiàn)象。

(c) 將PEMFC 電堆系統(tǒng)、電子負(fù)載及供氫系統(tǒng)放入環(huán)境倉(cāng)內(nèi)，依次連接好其系統(tǒng)的線路和管路。將PEMFC 電堆系統(tǒng)的控制器、電子負(fù)載與電腦采集系統(tǒng)連接好，并通過(guò)穩(wěn)壓電源給壓縮機(jī)、風(fēng)扇和冷卻水泵供電。

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

設(shè)定環(huán)境艙的溫度為―10 ℃，在熱機(jī)狀態(tài)下關(guān)閉PEMFC 電堆，電堆工作溫度為60 ℃。此時(shí)對(duì)PEMFC 電堆陰極流道吹掃88 s，當(dāng)PEMFC 電堆最外層電池陰極催化層溫度降到0 ℃時(shí)，起動(dòng)PEMFC 電堆，加載如圖2 所示典型道路試驗(yàn)工況功率曲線[4]，使PEMFC 電堆進(jìn)入小負(fù)荷暖機(jī)運(yùn)行狀態(tài)。此時(shí)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(yùn)行的1 360 s 內(nèi)其負(fù)載功率小于2.4 kW，這樣在―10 ℃環(huán)境下保證了PEMFC 電堆的穩(wěn)定運(yùn)行。而在1 361～2 400 s 內(nèi)，開(kāi)始加載更大功率，加載的功率階梯增加，并通過(guò)PEMFC 電堆控制器實(shí)時(shí)采集并保存PEMFC 電堆的動(dòng)態(tài)運(yùn)行參數(shù)。

圖2 PEMFC電堆加載功率曲線

2 典型道路工況分析

圖3 為負(fù)載電壓隨時(shí)間變化曲線。從圖3 可以看出，在0～1 360 s 內(nèi)，負(fù)載電壓最高為88.6 V，最低為67.7 V。在對(duì)PEMFC 電堆加載的初始階段，采用了相同的四段循環(huán)功率加載方法。主要考慮此時(shí)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(wú)法直接加載高功率。在相同的四段循環(huán)功率加載過(guò)程中，PEMFC 電堆持續(xù)運(yùn)行，其內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，不斷有大量熱量生成，對(duì)PEMFC 電堆進(jìn)行加熱。在從1 361 s 開(kāi)始對(duì)燃料電池電堆按圖2 的功率曲線進(jìn)行加載，隨著時(shí)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(shí)，燃料電池電堆負(fù)載輸出電壓即刻降低，但在每一小段燃料電池電堆負(fù)載電壓是逐漸升高的，如在1 815～1 935 s 內(nèi)加載的功率為4.62 kW，燃料電池電堆負(fù)載輸出的電壓從63.5 V 上升到65.1 V。

圖3 負(fù)載電壓隨時(shí)間的變化曲線

PEMFC 電堆進(jìn)出口溫度隨時(shí)間變化曲線如圖4 所示。從圖4 可以看出，PEMFC 電堆開(kāi)始工作時(shí)，其冷卻液進(jìn)出口溫度和陰極進(jìn)口溫度都很低。隨著PEMFC 電堆持續(xù)工作，其冷卻液進(jìn)出口溫度和陰極進(jìn)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(shí)電堆冷卻水出口溫度達(dá)到58.2 ℃。隨后PEMFC 電堆冷卻系統(tǒng)開(kāi)始工作，水泵和風(fēng)扇開(kāi)始運(yùn)行，不斷將PEMFC 電堆產(chǎn)生的熱量越來(lái)越多地散到環(huán)境中去，PEMFC 電堆開(kāi)始降溫，在2 250 s 時(shí)其冷卻水出口溫度降到了41.2 ℃，PEMFC 電堆冷卻系統(tǒng)停止工作，水泵和風(fēng)扇停止運(yùn)行。由于PEMFC 電堆繼續(xù)不停工作，在PEMFC 內(nèi)部不斷有熱量生成，從而使PEMFC 電堆冷卻水進(jìn)出口溫度繼續(xù)上升，當(dāng)其溫度大于58 ℃時(shí)，PEMFC 電堆冷卻系統(tǒng)再次開(kāi)始工作。只要PEMFC 電堆繼續(xù)運(yùn)行，PEMFC 電堆冷卻液進(jìn)出口溫度和陰極進(jìn)口溫度就如此重復(fù)循環(huán)變化。

圖4 PEMFC電堆進(jìn)出口和其陰極進(jìn)口溫度隨時(shí)間變化曲線

PEMFC 電堆系統(tǒng)輔助功率隨時(shí)間變化曲線如圖5 所示。從圖5 可以看出，對(duì)PEMFC 電堆加載的功率越大，單位時(shí)間內(nèi)需要通過(guò)壓縮機(jī)向電堆陰極流道內(nèi)送入更多的空氣，同時(shí)通過(guò)氫氣循環(huán)泵向電堆陽(yáng)極側(cè)送入更多的氫氣，結(jié)果導(dǎo)致PEMFC 電堆消耗的輔助功率越來(lái)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(tǒng)的水泵和風(fēng)扇開(kāi)始工作后，消耗的輔助功率達(dá)到948 W。

圖5 PEMFC電堆輔助功率隨時(shí)間變化曲線

PEMFC 電堆陰極、陽(yáng)極進(jìn)口壓力隨時(shí)間的變化曲線如圖6 所示，加載功率小于2.4 kW 時(shí)，電堆陰極入口僅為0.006 MPa；加載功率小于5.7 kW 時(shí)，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(yáng)極入口氫氣平均壓力保持在0.047 MPa，瞬間電堆陽(yáng)極最低入口壓力為0.036 MPa，瞬間電堆陽(yáng)極最高入口壓力為0.055 MPa。PEMFC 電堆陽(yáng)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(yáng)極側(cè)氫氣向陰極側(cè)移動(dòng)，使電離的氫離子通過(guò)質(zhì)子交換膜到達(dá)陰極，保證了PEMFC 電堆可持續(xù)運(yùn)行。同時(shí)，氫氣循環(huán)泵給電堆陽(yáng)極入口供給的氫氣是過(guò)量的。在功率加載的階躍時(shí)刻，電堆陽(yáng)極入口壓力發(fā)生階躍變化。

圖6 PEMFC電堆陰極、陽(yáng)極進(jìn)口壓力隨時(shí)間的變化曲線

PEMFC 電堆4 個(gè)模塊(模塊1、2 和3 分別由22 個(gè)單電池組成，模塊4 由24 個(gè)單電池組成)輸出電壓隨時(shí)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(shì)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(yùn)行狀態(tài)存在一定差異所致。

圖7 PEMFC電堆4個(gè)模塊輸出電壓隨時(shí)間的變化曲線

圖8 PEMFC電堆單體電池最高和最低電壓隨時(shí)間變化曲線

3 結(jié)論

PEMFC 電堆在0 ℃時(shí)起動(dòng)并逐漸加載功率是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的過(guò)程。在小負(fù)荷暖機(jī)工作過(guò)程中，PEMFC 電堆自身的工作溫度、輸出電壓、陰陽(yáng)入口壓力、單體電池質(zhì)子交換膜內(nèi)遷移水和其輔助功率瞬時(shí)發(fā)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(tǒng)的水泵和風(fēng)扇開(kāi)始工作后，消耗的輔助功率達(dá)到948 W。當(dāng)其溫度大于58 ℃時(shí)，PEMFC 電堆冷卻系統(tǒng)再次開(kāi)始工作。只要PEMFC 電堆繼續(xù)運(yùn)行，PEMFC 電堆冷卻液進(jìn)出口溫度和其陰極進(jìn)口溫度如此重復(fù)循環(huán)變化，從而保持電堆的工作性能最佳。