趙金剛 張彥偉 王國增 朱錫慶 杭磊

(海馬汽車有限公司)

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[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汽車領(lǐng)域最有潛力的動力源[4-5]。車用PEMFC在商業(yè)化進(jìn)程中，冷啟動困難或啟動時間過長是主要制約因素之一[6-8]。目前，國內(nèi)外車型對燃料電池發(fā)動機(jī)冷啟動能力進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn)，國外相關(guān)車型已量產(chǎn)且技術(shù)相對成熟[9-10]，國內(nèi)大多從實(shí)際運(yùn)行情況來看，在低溫啟動方面的技術(shù)稱不上很好，如表1所示。從表1可以看出，國內(nèi)部分車型沒有明確啟動時間，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驗(yàn)證。

表1 國內(nèi)外對標(biāo)車型冷啟動情況

文章擬開發(fā)的大功率燃料電池乘用車項(xiàng)目，截止目前，國內(nèi)還沒有關(guān)于120 kW大功率燃料電池乘用車的相關(guān)文獻(xiàn)，甚至鮮有報道。文章結(jié)合實(shí)際情況及擬開發(fā)項(xiàng)目目標(biāo)需求，通過對國內(nèi)某型號120 kW燃料電池進(jìn)行低溫冷啟動初步匹配并摸底分析，初步得出在理想情況下整車在-30℃下低溫啟動時間，其分析結(jié)果為后期擬開發(fā)車型目標(biāo)的設(shè)定提供了理論依據(jù)，同時也曝露出冷啟動短板，若要與對標(biāo)車型相當(dāng)，必須選擇更加先進(jìn)的燃料電池電堆及控制策略。

1 擬開發(fā)車型參數(shù)設(shè)定

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

表2 整車技術(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120 kW燃料電池技術(shù)參數(shù)

2 冷啟動熱平衡分析

2.1 燃料電池冷啟動分析假設(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）忽略冷卻水通過時的熱損失；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時可持續(xù)放電5 s，每間隔時間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℃時即認(rèn)為電堆啟動成功[14]。

2.2 燃料電池冷啟動原理圖

燃料電池冷啟動系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計一回路，小循環(huán)水體積約為1.6 L，串聯(lián)一個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 電堆冷啟動加熱原理圖

3 冷啟動時間計算

基于上述冷啟動熱平衡分析假設(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120 kW燃料電池電堆從-30℃加熱至0℃冷啟動階段所需熱量進(jìn)行評估，計算得到-30℃冷啟動總時間為769.7 s即約13 min。

表4 -30°C至0°C電堆冷啟動階段熱量及啟動時間計算

4 結(jié)論

綜上所述，預(yù)研項(xiàng)目首次采用國內(nèi)先進(jìn)的某型號120 kW大功率燃料電池電堆，根據(jù)開發(fā)目標(biāo)需求，通過對燃料電池電堆低溫啟動熱平衡分析，計算得到在理想情況下從-30℃低溫啟動所需時間約13 min，而實(shí)際現(xiàn)實(shí)中所需啟動時間將會更長。文章分析結(jié)果將為擬開發(fā)車型目標(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)致所需低溫啟動時間遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過對標(biāo)車型如豐田MIRAI、本田CLARITY、現(xiàn)代NEXO的冷啟動時間。若要與對標(biāo)車型相當(dāng)，必須選擇更加先進(jìn)的燃料電池電堆和冷啟動控制策略，因此行業(yè)內(nèi)開發(fā)車規(guī)級先進(jìn)的大功率且具備自加熱功能的燃料電池已迫在眉睫。