趙 坤，馬明輝，楊子榮，郝 冬

（中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有效率高、工作溫度低、噪聲小等特點，目前已在電動汽車領域得到了廣泛發(fā)展。然而，在實際運行過程中，PEMFC的動態(tài)加載響應及穩(wěn)態(tài)運行工況下的性能均會對車載PEMFC的壽命和可靠性產(chǎn)生極大的影響，尤其是頻繁變載工況會造成燃料電池的壽命大幅減少[1]。因此，通過試驗研究車載PEMFC的動態(tài)響應及穩(wěn)態(tài)性能對其壽命與可靠性有著重要的意義。

PEMFC的材料和內部結構對其性能有很大影響，適當優(yōu)化可提升其性能。石磊[2]建立了8通道復合蛇形流道PEMFC模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，氣體擴散層（GDL）孔隙度對水分、電流密度和氧氣分布的影響最大，其次是進氣速度和溫度。張萍俊[3]選用不同的材料作為陽極氣體擴散層，并進行了極化曲線和穩(wěn)定性測試，以及交流阻抗測試和物理表征，試驗結果表明，鈦氈更適合作為質子交換膜水電解池的陽極擴散層。車載PEMFC的水熱管理、空氣與氫氣供給等子系統(tǒng)對其性能也有很大的影響。樊磊[4]研究了進氣相對濕度對不同工況下PEMFC的影響，并提出了進氣加濕效率模型，研究結果表明，該模型的精度較Fluent模型提高了37.4%。Kim B[5]通過確定最優(yōu)空氣化學計量比（2.0～2.5）優(yōu) 化了PEMFC的瞬態(tài)性能，從而獲得了更高的凈功率輸出。吳中樂[6]設計了一個基于未知干擾觀測器的全狀態(tài)反饋控制器以保證氫氣供給的穩(wěn)定性，通過仿真證明了其有效性。Chatrattanawet N[7]提出了一種魯棒模型預測控制策略，通過仿真驗證了其能在模型不確定的情況下將PEMFC電壓與溫度控制在設定值。

綜上所述，在車載PEMFC運行過程中，電池自身結構及材料對內部的電化學反應與傳質傳熱過程均有一定的影響，同時PEMFC運行時的物料供給、水熱管理和控制策略與其壽命及可靠性密切相關。目前，有關車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)相關性能試驗的研究較少，因此，本文參考《GB/T24554—2009燃料電池發(fā)動機性能試驗方法》[8]對60kW車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)進行了動態(tài)加載與穩(wěn)態(tài)運行工況的試驗測試，以期為燃料電池相關性能試驗研究提供參考。

1 性能試驗

1.1 車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)

圖1為車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)示意圖。該系統(tǒng)的額定輸出功率為60kW，主要由燃料電池電堆、空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)及電子電控系統(tǒng)組成。

圖1 車載燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)示意圖Fig.1 Fuel cell engine system configuration diagram

空氣子系統(tǒng)主要由空氣濾清器、空壓機、中冷器、膜加濕器和相應閥組構成。其中，空壓機由電堆經(jīng)過DC/DC增壓后直接供電，為系統(tǒng)持續(xù)提供一定流量和壓力的空氣。中冷器利用電堆冷卻系統(tǒng)支路將空壓機出口空氣冷卻至適宜溫度。膜加濕器調整入電堆空氣至適宜濕度，維持質子交換膜的最佳工作狀態(tài)。背壓閥用于調節(jié)管路及堆內的氣體壓力，截止閥與空氣旁通閥均為安全閥，在系統(tǒng)正常運行時不工作。

氫氣子系統(tǒng)主要包括氫進電磁閥、供氫回氫總成、氣水分離器及其余閥組構成。氫進電磁閥主要負責氫氣供應的開斷。供氫回氫總成主要由比例閥、引射器及泄壓閥組成，比例閥負責實時調節(jié)管路氫氣壓力，引射器通過內部結構將出口的剩余氫氣引導回氫氣入口管路，泄壓閥在系統(tǒng)正常運行時不參與工作。氣水分離器通過排水閥排除電堆出口氫氣中的多余水分，避免液態(tài)水在電堆內積聚。

熱管理系統(tǒng)主要由膨脹水壺、水泵、散熱器、三通閥和去離子器等組成。膨脹水壺用于貯存及補充回路中的去離子冷卻水。三通閥用于切換電堆主循環(huán)（通散熱器）與副循環(huán)（通電加熱器）回路，并實時調節(jié)系統(tǒng)的加熱或冷卻強度。電加熱器用于提高水溫，由于本試驗未涉及發(fā)動機的冷啟動性能，因此電加熱器始于停機狀態(tài)。選用的溫度傳感器精度為1%，壓力傳感器精度為2%。

電子電控系統(tǒng)包括燃料電池控制器（FCU），直流變換器（DC/DC），單片電壓監(jiān)測系統(tǒng)（CVM）等部件。FCU負責協(xié)調控制各子系統(tǒng)以滿足工況需求，在試驗中實時與上位機通訊并采集數(shù)據(jù)。在電堆電壓升高后，DC/DC為空壓機等輔助部件以及外部負載供能。CVM系統(tǒng)集成于電堆中，用于實時監(jiān)測各單體電池的電壓狀態(tài)。

燃料電池測試平臺主要包括低壓電箱、電子負載、氫氣供給端口以及循環(huán)冷機。低壓電箱用于替代車載蓄電池為傳感器及閥組等部件提供24 V低壓電源，電子負載在發(fā)動機啟動時替代車載高壓電池包為空壓機等部件提供高壓電源，氫氣供給端口通過多級減壓裝置為發(fā)動機提供恒壓氫氣（純度為99.99%）。循環(huán)冷機用于替代整車冷卻系統(tǒng)，對空壓機控制器、DC/DC等系統(tǒng)部件進行恒速冷卻。此外，利用自主開發(fā)的上位機監(jiān)測軟件可通過FCU總線信息對車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的參數(shù)進行實時監(jiān)測。車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的主要參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)主要參數(shù)Table1 Main parameters of the system

續(xù)表1

1.2 試驗工況

在試驗過程中，氫氣氣源壓力設為1.5MPa，以保證氫氣子系統(tǒng)的壓力充足。循環(huán)冷機設定溫度為25℃，流量為15L/min，以保證部件穩(wěn)定運行。陰陽極壓差保持在5～20kPa，且陽極壓力始終大于陰極壓力，以維持電堆內反應的正常進行?？刂齐姸褱囟葹?0～80℃，冷卻液進出口溫差保持在15℃以內，同時實時記錄相應的輸出參數(shù)。通過上位機調整需求凈功率，以按照試驗流程完成全工況測試。試驗設備和PEMFC發(fā)動機實物如圖2所示。

圖2 試驗設備及PEMFC發(fā)動機Fig.2 Test equipment and PEMFC engine

2 試驗流程及數(shù)據(jù)分析

車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)首先在怠速工況下運行20min，待性能穩(wěn)定后開始進行測試，在發(fā)動機全功率范圍內選取11個工作點（10，15，…，60 kW），每個工作點至少運行1min。系統(tǒng)電壓及功率隨上位機給定的目標凈功率的變化而變化。系統(tǒng)動態(tài)加載和穩(wěn)態(tài)運行的目標凈功率以及電堆實際輸出總功率如圖3所示。由圖3可知，隨著目標凈功率的不斷升高（最大值為60kW），電堆的輸出總功率也隨之增大（最大值為79.91kW），二者差值即為系統(tǒng)各輔助部件的寄生功率損耗（最大占比為總功率的16.5%左右）。由此可見，當目標凈功率增大時，空壓機、散熱器等輔助部件的功耗也會相應增加，對于車載PEMFC而言，應開發(fā)相應的控制策略，在滿足目標凈功率的同時盡量減小其寄生功率損耗，以提高系統(tǒng)效率。

圖3 試驗工況下的目標凈功率與輸出總功率Fig.3 Target net power and total output power under test conditions

2.1 輸出性能分析

PEMFC電堆的輸出電壓曲線如圖4所示。

圖4 輸出電壓Fig.4 The output voltage

結合圖3，4可以看出，PEMFC電堆的輸出電壓隨著功率需求（即目標凈功率，下同）的增大而降低（最小值約為210V）；在功率需求階躍變化時，輸出電壓發(fā)生了短暫的下沖和上升現(xiàn)象。這是因為在瞬態(tài)工況下，電化學反應速度會突然增大，使得單位時間內通過質子交換膜的氫離子增多，在電滲拖拽的作用下帶走了質子交換膜中的一部分水，使質子交換出現(xiàn)了短暫的干燥狀態(tài)，造成歐姆阻抗增加，陰極內部的濕度則會瞬間增大，進而發(fā)生輕度的水淹現(xiàn)象而阻礙空氣供給；另外，反應速率提高的瞬間也會出現(xiàn)物料供給不足的情況，造成短暫的“氧饑餓”現(xiàn)象，由此產(chǎn)生瞬時工況下的電壓下沖現(xiàn)象。隨著需求功率的穩(wěn)定，多余的水分會重新擴散回陽極，且空壓機轉速上升至目標值逐漸滿足物料供給需求，使得輸出電壓又回升至穩(wěn)定值，直至下一個階躍工況。因此，需要優(yōu)化PEMFC系統(tǒng)的瞬態(tài)響應品質以應對車輛行駛時的復雜工況。試驗結果表明，該發(fā)動機在各個瞬態(tài)階躍工況下表現(xiàn)良好，能夠快速收斂至目標值，而穩(wěn)態(tài)工況下也不會出現(xiàn)劇烈的波動現(xiàn)象，滿足了實際車載工況需求。

2.2 單片電壓均衡性及效率分析

單片電池的最低與平均電壓如圖5所示。結合圖3，5可以看出：單片電池的最低電壓與平均電壓的變化趨勢相似，但是，隨著功率需求的增大，二者的偏差越來越大，這意味著電堆中各片電池間的輸出電壓差異波動愈加明顯；當系統(tǒng)運行至1400s附近時，最低電壓與平均電壓的偏差達到最大，平均電壓約為0.67V，與最低電壓相差約0.05V。隨著功率需求的增加，單片電池的均衡性變得越來越差，進而影響系統(tǒng)的壽命及穩(wěn)定性，因此，在實際運行中應盡量削弱此現(xiàn)象。

圖5 單片電池的最低電壓與平均電壓Fig.5 The lowest and average voltage of single cell

在本次試驗中，當PEMFC發(fā)動機以最大功率運行時，單片電池電壓的最大偏差能夠控制在7%左右，對系統(tǒng)的影響并不大，滿足實際工況的使用需求。電堆效率 ηst的計算式為

式中：E為25℃，標準大氣壓條件下的單片燃料電池可逆電壓，取1.229V；Vave為單片燃料電池的平均電壓，V。

電堆效率的計算結果如圖6所示。

圖6 電堆效率Fig.6 Stack efficiency

結合圖3，6可以看出，在低功率需求工況下，電堆效率最高（可達67%左右），隨著功率需求的升高，電堆效率呈下降趨勢。這主要由PEMFC固有的3種極化現(xiàn)象所造成：①低功率需求工況下的電壓降主要由活化極化現(xiàn)象造成，由于需要引導電子轉移并在陽極和陰極中斷裂并形成化學鍵，化學反應會將電子轉移到電極上或從電極上轉移出來，這一過程需要消耗一定的能量；②隨著功率的增大，歐姆極化現(xiàn)象愈加明顯，即質子交換膜存在對質子轉移的電阻以及電極和集電極板對電子轉移的電阻而造成的壓降；③當功率增大到一定程度時，電堆發(fā)生濃差極化，此時反應物消耗急劇增加導致供應不足而造成壓降。電堆最低效率出現(xiàn)在最大功率需求區(qū)間（約為54%）。因此，從電堆效率角度來看，PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的功率需求不宜過大，以避免電堆效率過低及單片電池電壓均衡性品質惡化。

2.3 氣體供給壓力分析

氫氣與空氣的進堆壓力如圖7所示。從圖7可以看出，氫氣與空氣的進堆壓力變化趨勢一致且始終維持一定的壓差（陽極壓力大于陰極壓力，最大值分別為0.212MPa和0.196MPa），這是因為氫離子需要從陽極穿過質子交換膜至陰極以完成電化學反應，維持一定的壓差可使氫離子能夠更快地穿過質子交換膜以完成反應。

圖7 氫氣與空氣進堆壓力Fig.7 The pressure of hydrogen and air into the stack

氫氣與空氣的進堆壓差如圖8所示。從圖8可以看出，兩者在全工況范圍內的進堆壓差均維持在0.006～0.020MPa，可見氫氣路比例閥與空氣路背壓閥工作良好，保證了膜電極的機械強度，滿足了電堆正常運行的工況條件。結合圖3，8可以看出，在功率需求變化時，氫氣與空氣的進堆壓力均存在一定的超調現(xiàn)象，這主要是氣路存在一定控制延遲所造成的。此外，氫氣進堆壓力的波動率明顯比空氣要大，這是由于氫氣管路中以一定頻率開啟的排水閥使得氫氣壓力在小范圍內失衡，從而影響到整體壓力值。因此，從PEMFC壽命與工作效率角度來看，需要優(yōu)化相應的耦合控制策略以實現(xiàn)對陽極壓力與陰極壓力的協(xié)同控制。

圖8 氫氣與空氣的進堆壓差Fig.8 The pressure difference between hydrogen and air into the stack

2.4 熱管理性能分析

冷卻水的進出堆溫度如圖9所示。結合圖3，9可以看出：隨著功率需求的不斷增大，冷卻水出堆溫度整體上呈上升的趨勢，而進堆溫度經(jīng)冷卻后維持在60～65℃；當功率需求階躍變化時，冷卻水進出堆溫度存在一定程度的波動。這是因為隨著功率需求的不斷增大，電堆內部反應加劇而產(chǎn)生更多熱量，冷卻水出堆溫度也隨之升高，即使在最大功率需求下，電堆溫度也控制在了75℃以內，以滿足電堆的安全高效運行。在1400～1600 s階段，冷卻水的進出堆溫度出現(xiàn)了一定的波動現(xiàn)象，這是因為在管路內形成湍流波動時，溫度傳感器的測溫結果產(chǎn)生了一定的震蕩。

圖9 冷卻水進出堆溫度Fig.9 Temperature of cooling water in and out of the stack

冷卻水進出電堆的溫差如圖10所示。結合圖3，10可以看出，隨著功率需求的增大，冷卻水進出堆溫差也在不斷升高，即使在最大功率需求下，系統(tǒng)溫差也始終控制在12℃以內，以滿足試驗要求。經(jīng)以上分析可知，在全工況條件下，電堆溫度都控制在最優(yōu)值附近，降低了溫度對于質子交換膜的負面影響，增加了電堆的可靠性與耐久性。因此，在不同工況下，需協(xié)調控制熱管理系統(tǒng)的循環(huán)水泵與冷卻風扇轉速來維持理想的電堆溫度與冷卻水進出堆溫差，為電堆提供穩(wěn)定高效的運行條件。

圖10 冷卻水進出堆溫差Fig.10 Temperature difference between cooling water in and out of the stack

2.5 系統(tǒng)氫氣利用率分析

在試驗過程中，可根據(jù)臺架記錄數(shù)據(jù)獲取PEMFC系統(tǒng)的瞬時氫氣供給量和瞬時輸出功率。本文利用PEMFC系統(tǒng)單位質量氫氣所產(chǎn)生的電量來表征PEMFC系統(tǒng)的氫氣利用率。PEMFC系統(tǒng)的氫氣利用率如圖11所示。

圖11 氫氣利用率Fig.11 Hydrogen utilization rate

結合圖3，11可以看出，隨著功率需求的增大，氫氣利用率整體呈上升趨勢（從12kW·h/kg附近平緩增長至27kW·h/kg左右）。初始狀態(tài)時的氫氣利用率較低，其原因主要是吹掃閥定期開啟的吹掃過程以及氣水分離器水路中的排水閥定期開啟過程中浪費了一部分氫氣，可通過優(yōu)化排水閥的開啟頻率與時間來提高氫氣利用率。因此，從氫氣利用率的角度來看，PEMFC系統(tǒng)不宜運行在功率需求較低的工況下，而功率需求較高的工況會惡化電堆效率以及單片電壓的均衡性品質，所以PEMFC系統(tǒng)也不宜運行在功率需求較高的工況下。綜上所述，從PEMFC汽車總成的角度來看，需配備二級輔助能源，通過合理的能量管理策略使得PEMFC發(fā)動機始終工作在最優(yōu)功率點附近，以此在保證輸出性能的同時提高PEMFC發(fā)動機的經(jīng)濟性。

3 結論

本文基于燃料電池發(fā)動機測試平臺對60kW級車載PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)進行了動態(tài)加載及穩(wěn)態(tài)運行工況試驗探究，根據(jù)試驗結果分析了PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)的輸出特性和關鍵參數(shù)，得到如下結論。

①隨著輸入的目標凈功率階躍上升（最大值為60kW），PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)輸出的最大總功率為71.91kW，輸出電壓持續(xù)降低，單片電池電壓的均衡性越來越差，同時電堆效率由于極化現(xiàn)象而持續(xù)降低。

②氫氣路與空氣路的壓力瞬態(tài)響應良好，且二者的壓差始終維持在適宜范圍內 （0.006～0.02 MPa）。熱管理系統(tǒng)的冷卻路進出口水溫適宜，且溫差維持在12℃以內，滿足實際工況要求。

③系統(tǒng)的氫氣利用率與功率需求呈正相關，結合對于電堆效率及單電壓均衡性的分析可知，實際工程應用中應使PEMFC發(fā)動機系統(tǒng)盡量運行于適宜的功率區(qū)間。