裴馮來, 梅宇航 , 石 霖, 楊傳亞

(1.上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司，上海 210805；2.上海機動車檢測認證技術(shù)研究中心有限公司江蘇分公司 江蘇 如皋 226500)

0 引 言

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)直接在電池內(nèi)部發(fā)生化學反應，將化學能轉(zhuǎn)化成電能，生成物僅有水，不污染環(huán)境，也不會產(chǎn)生溫室氣體，且具有功率密度高、工作溫度低、響應迅速、操作方便、安全可靠等優(yōu)點。[1]由于環(huán)境問題的日益惡化，PEMFC的應用前景更加廣闊。但燃料電池在低溫工作環(huán)境(0℃以下)下，無特殊處理或輔助工具，其陰極側(cè)反應產(chǎn)生的水易結(jié)冰而堵塞催化層、擴散層，阻礙反應進行。同時水結(jié)冰產(chǎn)生的體積變化會對膜電極組件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導致性能衰減。因此，燃料電池電堆的低溫冷啟動目前處于一個瓶頸狀態(tài)，這也是制約燃料電池汽車商業(yè)化發(fā)展的主要原因之一[2]。

現(xiàn)如今國內(nèi)公司大多采用“停機吹掃+預加熱啟動”的方式來實現(xiàn)電堆的低溫冷啟動，但從實際運行情況而言，這種啟動方式的效果并不是很好。

因此，本文主要針對自開發(fā)PEMFC大功率電堆(≥60kW)測試設(shè)備進行冷啟動試驗能力驗證。

1 國內(nèi)外相關(guān)研究

PEMFC低溫冷啟動問題是近年來專家和學者們的研究熱點，也是PEMFC商業(yè)化發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問題。趙鑫[3]等人認為，PEMFC在低溫工況下，可能會因結(jié)冰導致反應位點被覆蓋或者反應物傳輸通道被堵塞而無法啟動。如果在冰阻礙電化學反應前，溫升速率增大到足以使催化劑層(CL)溫度大于冰熔點，冷啟動就能成功。李友才[4]建立了電堆冷啟動模型，通過對冷卻液加熱、燃燒氫氣、端板加熱等不同加熱方法進行仿真分析。同樣地，李潔[5]也介紹了內(nèi)部加熱、外部加熱和停機吹掃等多種冷啟動措施，闡述了熱管理和冷啟動的發(fā)展趨勢。

為了實現(xiàn)更好的冷啟動性能，研究者大多研究多次凍-融(Freeze-Thaw，F(xiàn)-T)循環(huán)后，電池主要部件變化以及性能衰減情況?；蛘咄ㄟ^改變某一試驗條件進行自啟動，來尋找最佳的冷啟動參數(shù)。Hwang[6]通過電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰對催化劑層造成嚴重損傷。Knights[7]等對吹掃除水的PEMFC進行多次F-T循環(huán)，發(fā)現(xiàn)燃料電池結(jié)構(gòu)沒有遭受明顯破壞；在低電流密度下啟動燃料電池，未發(fā)現(xiàn)電池性能有明顯下降；而高電流密度下電池性能下降較為明顯。研究發(fā)現(xiàn)，在沒有吹掃除水、供熱或其他輔助條件下，電池能自發(fā)啟動的最低溫度在-10～-5℃之間，低于-10℃的自啟動大多以失敗告終。但在-10℃(或溫度更低)時改變部分操作條件(膜的初始水含量、啟動溫度、電流密度等)，可顯著改善電池的冷啟動能力，使電池平穩(wěn)運行。詹志剛[8]發(fā)現(xiàn)冷啟動操作條件對電池自啟動有較大影響，加大進氣流量、降低啟動負載電流密度可以提高電池啟動能力。Du[9]建立了質(zhì)子交換膜燃料電池堆模型，發(fā)現(xiàn)最大功率冷啟動模式能更好地平衡熱量產(chǎn)生和結(jié)冰的關(guān)系，提高冷啟動的成功率。

衡量冷啟動能力的指標有啟動最低溫度、啟動過程耗能和啟動時間等。目前豐田在低溫啟動指標方面排名靠前，2014年就已實現(xiàn)燃料電池堆-30℃冷啟動。俞紅梅[10]等人在-5℃和-10℃啟動研究的基礎(chǔ)上，進一步分析了低溫啟動后燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)的變化，為研制新型抗冰凍燃料電池材料奠定了基礎(chǔ)。鄭浩[11]等在-10℃下比較啟動電壓為30V、40V時燃料電池的性能，他們認為低壓啟動時燃料電池產(chǎn)熱速率較快，其溫度變化大，啟動性能較好。周怡博[12]則針對電堆中不同位置以及不同數(shù)量的燃料電池進行外部加熱，使電堆充分利用自身的熱量，以減小冷啟動過程中所需的外部加熱量，從而縮短冷啟動時間。

本文主要通過自開發(fā)PEMFC大功率電堆(≥60kW)測試設(shè)備，改變試驗條件進行電堆低溫冷啟動，探究啟動參數(shù)對電堆啟動性能的影響。

2 電堆冷啟動測試工藝

2.1 電堆冷啟動測試

對于大功率燃料電池電堆而言，低溫啟動是一個難點，傳統(tǒng)冷啟動測試需要將整套設(shè)備及測試樣件放置在極寒地區(qū)，目標溫度具有不可控性，且耗費人力物力資源較大；其次測試成本較高，目前國內(nèi)滿足大功率電堆冷啟動的設(shè)備較少。而對燃料電池電堆的低溫啟動進行研究，可以提高國內(nèi)燃料電池電堆的可靠性與耐久性。因此本文主要對電堆冷啟動測試工藝及測試設(shè)備進行研究。

本研究的冷啟動過程前，需先對電堆進行初始性能測試，檢驗電堆性能；檢驗后再將電堆移至環(huán)境艙內(nèi)，連接電堆與測試臺架管路以及冷啟動設(shè)備，加注防凍液，連接負載線與電堆模塊通訊線。其次開啟電堆測試臺架，設(shè)定安全聯(lián)動參數(shù)，包含氫氣進出口壓差、空氣進出口壓差、陰陽極進口壓差、單片電壓停機值與報警值等。準備工作完成后，對電堆三腔進行保壓，三腔壓力壓降在15 min內(nèi)小于1.5 kPa則滿足實驗前安全需求，若不符合要求立即用檢漏液尋找漏點并及時緊固，運行吹掃程序，在低電流密度運行條件下對電堆進行氫空兩腔吹掃，每次啟動吹掃兩次，分為停機前吹掃與停機后吹掃，且每次吹掃又分為兩個步驟，先濕氣吹掃后干氣吹掃，目的是為了排出堆內(nèi)殘余水汽。測試完成后，利用小電流法對電堆總電壓進行釋放，消耗電堆內(nèi)部反應氣體，使用阻抗測試儀測試電堆內(nèi)阻值，若電堆每片內(nèi)阻>0.8Ω，則滿足冷啟動測試要求，然后將電堆進行低溫存儲，存儲時長不低于12h，存儲結(jié)束后從上位機端讀取電堆冷卻水進出口溫度，若溫度與環(huán)境艙溫度溫差在±1℃內(nèi)，設(shè)定冷卻水流量(一般水流量設(shè)定值為電堆總片數(shù)*0.2 L為初始水流量)，輸入電堆基本參數(shù)(活化面積、電堆片數(shù)、電壓采集通道等)，輸入完成后，在上位機Test Station 中查看設(shè)定值與實際值是否一致，避免試驗終止。確認完成后開始冷啟動測試。測試前需將陰陽極氣體切換為干氣，打開自動化程序，程序運行之后觀察程序運行步驟，在測試過程中程序自行控制進氣流量、壓力、溫度、電流等參數(shù)(通入0.4 A/cm2電流密度下的進氣流量，壓力設(shè)為定值陽極入口為100 kPa，陰極入口為50 kPa。隨后將電流密度逐漸升至0.4 A/cm2并觀察電堆平均電壓、單片最低電壓與電堆功率是否符合要求，并維持200s，最后降低電流密度、氣體壓力、氣體流量)。測試過程中，程序通過負載采集和高動態(tài)運算實時反饋總電壓、最大單片電壓、最低單片電壓、平均電壓、功率等，以便判斷該電堆啟動過程是否正常，是否滿足冷啟動測試需求。啟動完成后打開停機吹掃程序，繼續(xù)進行低電流密度運行下的氫空兩腔吹掃，至此一輪完整的低溫冷啟動結(jié)束，按照以上要求重復成功啟動3次，即該電堆低溫冷啟動試驗成功。

2.2 冷啟動試驗流程介紹

冷啟動試驗包括樣品安裝、保壓、初始性能檢測、吹掃、低溫存儲、冷啟動等多個步驟，其流程圖如圖1所示。

圖1 冷啟動試驗流程圖

3 電堆冷啟動測試平臺

目前燃料電池電堆冷啟動測試主要依靠國外進口設(shè)備，設(shè)備造價昂貴，成本高。自開發(fā)了進口電堆測試臺和國產(chǎn)環(huán)境艙匹配的測試臺，搭建了艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)，如圖2。并集成溫度、壓力傳感器于進口電堆測試臺上進行溫度、壓力的監(jiān)測，同時將冷卻系統(tǒng)接入測試臺上，使用PID和動態(tài)運算法對冷卻路進行控制，如圖3。

圖2 冷啟動測試設(shè)備

圖3 冷卻水側(cè)簡易PID圖

此外，若電堆測試臺架不耐低溫，可將電堆氫氣出口、空氣出口的氣體管路更換成特制耐低溫管路，此管路可對管內(nèi)氣體進行溫度監(jiān)測及溫度控制，使得排出的氣體經(jīng)過膜片式背壓閥不會形成冰晶水導致背壓閥失效或致命性物理損傷，同時也保證了臺架的安全性。

根據(jù)2.1電堆冷啟動測試的方法，使用自開發(fā)的電堆冷啟動設(shè)備進行電堆冷啟動試驗。進行一輪完整的冷啟動試驗后，可基于試驗數(shù)據(jù)對電堆的冷啟動性能進行多角度分析。

4 測試平臺影響因素分析

電堆在冷啟動過程中存在多方面影響因素，例如氣體流量、溫度、壓力等。

4.1 氣體流量

在低電流密度點時由于氫氣、空進氣流量需求量較小，且氣體管路長度較長，所以氣體供應至各單片存在遲滯，約為0.5～1 s的時間滯后，不會導致電堆內(nèi)部欠氣；過了低電流密度點后，氣體的遲滯效應就會大大降低，如圖4所示。在拉載前，根據(jù)設(shè)定值與實際值的差值會進行判斷進氣流量是否達到所需要求，進氣流量達標后會保持電堆穩(wěn)定運行10～20 s，檢測每片電壓值是否達標，達標后才可開始拉載。整個判斷過程均由自動化程序進行，非緊急情況人為不干預。

圖4 氣體遲滯時單片電壓情況

4.2 溫 度

根據(jù)現(xiàn)場臺架布置情況，增加了氫氣側(cè)、空氣側(cè)管路長度，可能造成溫度采集的不一致性，故需增加多點位溫度傳感器，并將其中一個或多個溫度傳感器中設(shè)置為控制閉環(huán)點，可使溫度控制更加準確。增加傳感器后，發(fā)現(xiàn)在低電流密度點時，溫度傳感器采集存在誤差，但誤差在可控范圍內(nèi)。根據(jù)原有臺架設(shè)計，在進入背壓閥前的第一個溫度傳感器采集出的排氣溫度均高于5℃，如圖5，滿足原有的設(shè)計需求。

圖5 氫氣側(cè)排氣溫度傳感器數(shù)據(jù)

4.3 壓 力

由于管路長度的增加，導致壓力控制存在偏移性。現(xiàn)有臺架的壓力控制是由高精度背壓閥和高精度壓力傳感器形成控制閉環(huán)進行，通過增加高精度壓力傳感器數(shù)量，形成多點控制、PID調(diào)節(jié)加高動態(tài)運算控制同步進行，對高精度背壓閥形成高度閉環(huán)控制。

在冷啟動測試過程中，在低進氣流量下進行較高壓力控制的時候會存在壓力控制遲滯，遲滯時間約為1～3 s，對于壓力控制影響較小。在較高電流密度下增加進氣流量或降低進氣流量時，壓力控制均在可控范圍內(nèi)，動態(tài)效果能夠滿足快速變化，如圖6所示。

圖6 低進氣流量壓力控制曲線

4.4 測試全過程保護

在冷啟動測試過程中，所有的單片電壓、壓差(氫氣-空氣壓差、氫氣-冷卻水壓差、空氣-冷卻水壓差、氫氣側(cè)進出口壓差、空氣側(cè)進出口壓差、冷卻水側(cè)進出口壓差)、溫度保護均由進口電堆測試臺架進行控制，如圖7所示，全過程采用自動化程序進行控制，以減少人為操作過程的不確定因素。

圖7 測試過程保護數(shù)據(jù)參數(shù)

5 結(jié) 論

介紹并分析了國內(nèi)外關(guān)于大功率電堆冷啟動測試的相關(guān)研究內(nèi)容，并結(jié)合部分研究成果，從成本角度出發(fā)，采用進口電堆測試臺和國產(chǎn)環(huán)境艙的匹配方案，設(shè)計了一套艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)，搭建了大功率PEMFC電堆冷啟動測試平臺，并建立相應的測試工藝流程。并成功運用在大功率PEMFC電堆的冷啟動測試中，大大降低了成本。

此外發(fā)現(xiàn)本次冷啟動試驗中存在的一些典型問題：低電流密度時進氣流量均勻布滿流道時間久，堆內(nèi)溫度與測試管道溫度傳感器距離過長有誤差，進氣流量不足時壓力背壓閥控制壓力緩慢等因素會影響測試結(jié)果。

因此，自開發(fā)PEMFC大功率電堆冷啟動測試工藝與測試平臺還有許多值得改進的地方，在搭建測試平臺時，還需綜合考慮測試臺與環(huán)境艙的匹配性，電堆自身冷啟動模塊的集成度與動態(tài)響應，全面提高冷啟動測試的成功率。