輕中型物流車用燃料電池系統(tǒng)的長壽命設(shè)計

翟 雙

( 上海重塑能源科技有限公司,上海 201800 )

美國能源部對乘用車、公交車及卡車用燃料電池系統(tǒng)分別提出了8 000 h、25 000 h 和30 000 h 的終極壽命要求[1-2]。H.Noto 等[3]指出,竄漏量和性能下降是影響耐久性的兩個主要因素,闡述了乘用車低速和中高速工況對壽命的影響,并分析了對應(yīng)的衰減機(jī)理。 R.Shimoi 等[4]分析了啟停、變載和高電位對燃料電池壽命的影響,對比壽命預(yù)測模型與實車、臺架耐久數(shù)據(jù)后認(rèn)為,膜衰減量較小、燃料電池性能下降,主要是碳腐蝕和鉑降解所致。 胡尊嚴(yán)[5]研究了車用燃料電池的衰減建模分析方法,開發(fā)了面向車用燃料電池的差異性衰退診斷方法;基于臺架加速壽命實驗和相關(guān)理論研究,認(rèn)為電堆壽命將超過10 000 h(衰減率按20%計算)。 王克勇等[6]優(yōu)化了系統(tǒng)設(shè)計、改進(jìn)了系統(tǒng)控制策略,并對開發(fā)的燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行6 000 h 耐久性測試,性能衰減率為8.1%。

本文作者首先分析典型的燃料電池商用車使用場景及工作特點,并進(jìn)一步分析對應(yīng)的燃料電池壽命衰減模式;然后,從系統(tǒng)設(shè)計和操作條件匹配,動力系統(tǒng)和能量管理優(yōu)化以及控制策略設(shè)計等手段入手,延長燃料電池的壽命;最后,通過實際車輛運行,證明系統(tǒng)設(shè)計的合理性與可行性。

1 典型燃料電池商用車使用場景分析

目前,搭載本公司燃料電池系統(tǒng)的商用車?yán)塾嬤\行里程超過5.5×107km[7],并以輕中型物流車和公交車為主。 以在上海運行的7.5 t 燃料電池城市物流車為例,遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)監(jiān)控平臺統(tǒng)計分析的車輛典型特點見表1。

表1 不同應(yīng)用場景下的燃料電池使用特點 Table 1 Working characteristics of fuel cells in different application scenarios

從表1 可知,與乘用車相比,物流車的日均行駛里程更長、行駛時長更多,平均車速稍低,啟停次數(shù)和平均功率也更高。 這對燃料電池系統(tǒng)提出了更高的壽命設(shè)計要求。

2 燃料電池衰減模式及系統(tǒng)對策

2.1 質(zhì)子交換膜的衰減模式及系統(tǒng)對策

質(zhì)子交換膜的衰減模式主要包括化學(xué)衰減和物理衰減。

化學(xué)衰減的主要特征是膜會變薄、質(zhì)子傳導(dǎo)率下降,同時,排放的尾氣中存在HF、CO2和H2SO4。 導(dǎo)致質(zhì)子交換膜化學(xué)降解速度變快的因素有高溫、低濕度、高電壓和高反應(yīng)氣體壓力等。 針對燃料電池的使用場景,當(dāng)在怠速工況下運行時,應(yīng)盡量降低工作電壓(低于0.85 V),避免陽極H2O2的產(chǎn)生及對質(zhì)子交換膜的攻擊。 同時,使燃料電池維持在低溫高濕下運行,可避免磺酸根離子()的析出。物理衰減是由于濕度或溫度變化導(dǎo)致膜內(nèi)水合狀態(tài)的變化,進(jìn)而造成膜的壓力循環(huán)或壓力疲勞,最終導(dǎo)致質(zhì)子交換膜上形成針孔或裂紋,竄氣量增大。 Y.H.Lai 等[9]指出,質(zhì)子交換膜的應(yīng)力張量σij可表示為:

式(1)中:E是單軸松弛模量;β是水氣膨脹線性系數(shù);δij是克羅內(nèi)克函數(shù);θ是溫度;t是時間;ξ是時間積分變量;λ是膜內(nèi)水含量,以每個磺酸中的水分子數(shù)表示。

在系統(tǒng)設(shè)計時,應(yīng)盡量避免膜內(nèi)水含量的高速率變化或大幅度變載,從而減少應(yīng)力,延緩膜的衰減。

2.2 催化劑的衰減模式及系統(tǒng)對策

在燃料電池變載和怠速運行期間,電勢的變化及高電位的運行,會氧化鉑,使鉑粒子在表面溶解并成為離子狀態(tài)。 與初始條件相比,鉑的溶解降低了表面積,從而導(dǎo)致燃料電池性能下降[4],因此,燃料電池要盡量減少在高電位下運行。

2.3 擴(kuò)散層/微孔層的衰減模式及系統(tǒng)對策

燃料電池啟動時,如果電堆氣體通道都充滿空氣(氧氣),當(dāng)氫氣供應(yīng)到陽極時,有氫氣的區(qū)域會產(chǎn)生電動勢,沒有氫氣的區(qū)域會在陰極側(cè)產(chǎn)生高電位。 這會導(dǎo)致碳腐蝕,進(jìn)而導(dǎo)致鉑顆粒聚集和電池性能下降[5]。 在設(shè)計系統(tǒng)時,要通過架構(gòu)設(shè)計或改進(jìn)控制策略,抑制停機(jī)過程中空氣進(jìn)入陽極側(cè),避免陽極側(cè)生成氫空界面,減少開機(jī)過程中的碳腐蝕。

3 燃料電池系統(tǒng)設(shè)計

3.1 高濕操作設(shè)計

減少膜內(nèi)水含量的變化幅度及變化頻率,可延長質(zhì)子交換膜的壽命。 根據(jù)λ和濕度a、溫度θ的關(guān)系[式(2)],得到不同溫度下膜內(nèi)水含量隨濕度的變化曲線,見圖1。

圖1 不同溫度下膜內(nèi)水含量隨濕度的變化Fig.1 Variation of membrane water content with humidity at different temperatures

從圖1 可知,當(dāng)系統(tǒng)將溫度控制在55 ～65 ℃,濕度控制在75%～90%時,可將膜內(nèi)水含量的變化范圍控制在6～9,既可避免質(zhì)子交換膜的應(yīng)力變化過大,也能避免膜內(nèi)水淹的風(fēng)險,還減少了高溫運行對膜化學(xué)降解的影響。

為了實現(xiàn)該設(shè)計目標(biāo),根據(jù)電堆的產(chǎn)水能力以及陰陽極的水平衡情況,同時考慮增濕器在不同流量和溫度下的傳輸效率,得到不同電流密度下的濕度,如圖2 所示,以滿足圖1的濕度控制范圍要求。

圖2 不同電流密度下的電堆濕度Fig.2 Stack relative humidity at different current densities

3.2 控制策略優(yōu)化

3.2.1 怠速功率設(shè)計

目前,燃料電池商用車采用的是電-電混合,動力電池一般為能量型或能量兼功率型,正極材料多為磷酸鐵鋰或錳酸鋰,存儲的能量一般為50～120 kW·h。設(shè)動力電池平衡點的荷電狀態(tài)(SOC)為Sba=55%,充電上限為Sup=65%,則燃料電池放電功率P與電池能量W、放電時間t的關(guān)系見式(3)。

不同怠速功率下怠速時長隨電池能量W的變化,見圖3。

圖3 不同怠速功率下怠速時長隨電池能量的變化Fig.3 Change of idle time with battery energy at different idle powers

在系統(tǒng)設(shè)計時,燃料電池系統(tǒng)怠速功率定義為7 kW,對應(yīng)的單體電池工作電壓為0.78 V,低于膜和催化劑快速化學(xué)衰減的電壓0.85 V,可以抑制燃料電池的衰減,并滿足車輛動力系統(tǒng)的需求。

3.2.2 變載斜率設(shè)計

燃料電池的變載次數(shù)和變載幅度都會影響催化劑的溶解速率。 為抑制此類衰減,基于車輛的實時功率需求及動力系統(tǒng)的匹配情況,建立以全局最優(yōu)為目標(biāo)的動力系統(tǒng)匹配方案,目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)J是:

式(4)中:˙m為氫耗;WSC、WLC和Widle分別為開關(guān)機(jī)循環(huán)、常載循環(huán)和怠速占比;X、Y、Z分別為開關(guān)機(jī)循環(huán)、常載循環(huán)和怠速衰減電壓斜率。

基于此,進(jìn)行能量管理策略的優(yōu)化,將燃料電池的工作點進(jìn)行調(diào)整,以降低變載幅度和頻率。 圖4 是車輛車速和電機(jī)功率需求,基于此,可以進(jìn)行控制策略的設(shè)計和優(yōu)化。

圖4 車輛車速和電機(jī)功率需求Fig.4 Vehicle speed and motor power requirements

在滿足圖4 車輛需求的情況下,功率跟隨策略與全局最優(yōu)策略下的功率和電壓變化對比見圖5。

從圖5 可知,策略優(yōu)化使燃料電池電壓變載次數(shù)減少了70.3%,電壓穩(wěn)定運行時間為優(yōu)化前的2.3 倍。 燃料電池變載斜率降低,輸出功率和電壓更平穩(wěn),可以延長使用壽命。

圖5 能量管理策略優(yōu)化前后燃料電池輸出特性對比Fig.5 Comparison of fuel cell output characteristics before and after optimization of energy management strategy

3.2.3 開關(guān)機(jī)策略設(shè)計

開關(guān)機(jī)過程中,如果陽極存在氫-空界面,會造成對應(yīng)的局部高電位,從而造成陰極的碳腐蝕。 為了緩解甚至避免這一現(xiàn)象發(fā)生,對開關(guān)機(jī)過程進(jìn)行了改進(jìn)。

開機(jī)過程:先開啟氫氣循環(huán)裝置,并快速旋轉(zhuǎn);再通入氫氣,并開啟排氮閥,排出陽極腔體內(nèi)的空氣;然后進(jìn)行陰極側(cè)空氣供給,并開啟直流電源(DC/DC)轉(zhuǎn)換器,采用恒壓操作模式鉗制電壓,避免開路電壓或開機(jī)高電壓運行。

關(guān)機(jī)過程:先關(guān)閉陰極側(cè)空氣供給;再根據(jù)電壓的變化,采用DC/DC 轉(zhuǎn)換器小電流消耗陰極殘留的氧氣;然后通過一定時長的氫氣供給,進(jìn)一步消耗氧氣,從而保持長時間的陽極富氫和陰極富氮狀態(tài),以抑制空氣進(jìn)入陽極。

4 實車驗證分析

4.1 燃料電池車路試情況

為驗證可靠性和壽命,將燃料電池系統(tǒng)搭載在7.5 t 物流車上,在上海市的不同路況(城市、高速和郊區(qū)工況)及不同負(fù)荷(空載、中載和滿載)場景下,進(jìn)行道路耐久測試,從而更好地模擬實際運營場景,累計運行574 d、2×105km;燃料電池系統(tǒng)累計運行時長為4 212 h,結(jié)果如圖6 所示。

從圖6 可知,車輛平均時速為47 km/h,車輛電機(jī)輸出功率在10～40 kW 時占71%的使用時間,燃料電池電堆的功率區(qū)間主要是10～30 kW。 由此可見,對城市輕中型物流車而言,30 kW 燃料電池系統(tǒng)可滿足長時間持續(xù)功率的需求。

4.2 燃料電池衰減情況分析

在2×105km 路試期間,不同工作點下電堆電壓隨里程的變化見圖7。

圖6 車速、電機(jī)功率和燃料電池功率的分布 Fig.6 Distribution of vehicle speed,motor power and fuel cell power

圖7 不同電流下燃料電池電壓隨里程的變化情況Fig.7 Variation of fuel cell voltage with mileage at different currents

從圖7 可知,在前50 000 km,燃料電池有一定程度的快速衰減,然后進(jìn)入平穩(wěn)運行期。

在車輛實際運行時,電堆電壓會受到環(huán)境溫度、濕度及前后運行狀態(tài)的影響,干擾因素過多,電壓波動大。 對燃料電池系統(tǒng)定期保養(yǎng),并進(jìn)行穩(wěn)態(tài)極化曲線測試,額定點的衰減情況如圖8 所示。

圖8 燃料電池衰減率隨里程變化情況Fig.8 Variation of fuel cell decay rate with mileage

從圖8 可知,在完成2×105km 路試后,額定點衰減率為3.1%。 若衰減為線性,預(yù)測燃料電池可完成約6.5×105km的路試,能滿足輕中型物流車的壽命要求。

5 結(jié)論

本文作者剖析了商業(yè)化運行的輕中型燃料電池物流車使用場景,分析對應(yīng)燃料電池的潛在衰減模式及壽命要求;介紹為抑制衰減,在電堆濕度、怠速和變載控制、開關(guān)機(jī)策略優(yōu)化等方面的工作;基于實車數(shù)據(jù),得到燃料電池2×105km衰減3.1%的結(jié)論,證明了長壽命設(shè)計的有效性和可行性。

燃料電池在中重型卡車上的應(yīng)用更復(fù)雜,要針對需求進(jìn)行創(chuàng)新的系統(tǒng)設(shè)計和控制策略優(yōu)化,以滿足更苛刻的要求。