李義 許思傳 張潔

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心）

PEM燃料電池電堆低溫起動(dòng)試驗(yàn)*

李義 許思傳 張潔

（同濟(jì)大學(xué) 新能源汽車工程中心）

為評(píng)價(jià)不同參數(shù)對(duì)PEM燃料電池電堆低溫起動(dòng)性能的影響，搭建了燃料電池電堆低溫起動(dòng)試驗(yàn)平臺(tái)，對(duì)5 kW燃料電池電堆在-5℃、-10℃和-15℃下的低溫起動(dòng)性能進(jìn)行了試驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在低溫下恒電壓模式比恒電流模式更有利于電堆升溫；電堆起動(dòng)電壓為30 V時(shí)升溫速度快于40 V和20 V時(shí)；初始溫度越低時(shí)電堆升溫速率越慢。另外，經(jīng)過(guò)低溫起動(dòng)后電堆性能發(fā)生了衰減，電鏡掃描結(jié)果也顯示經(jīng)過(guò)低溫起動(dòng)后電堆質(zhì)子交換膜局部出現(xiàn)了破損，應(yīng)采取措施減緩低溫起動(dòng)對(duì)電堆的損傷。

1 前言

質(zhì)子交換膜（PEM）燃料電池系統(tǒng)在國(guó)際上被普遍認(rèn)為是未來(lái)汽車動(dòng)力最有前途的解決方案之一。PEM燃料電池汽車目前還處于研發(fā)階段，其商業(yè)化發(fā)展面臨的最主要障礙是電池成本和耐久性問(wèn)題[1]。因PEM燃料電池汽車在環(huán)境溫度較低下運(yùn)行時(shí)，燃料電池產(chǎn)生的水在低溫下很容易發(fā)生凍結(jié)導(dǎo)致電池?zé)o法運(yùn)行或運(yùn)行很短時(shí)間就被迫停機(jī)，而反復(fù)起動(dòng)可能會(huì)破壞電池的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，繼而嚴(yán)重影響電池的使用壽命。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者[2～8]在燃料電池低溫起動(dòng)的產(chǎn)水結(jié)冰機(jī)理方面、低溫起動(dòng)對(duì)燃料電池性能的影響方面、燃料電池低溫起動(dòng)的外部影響因素方面、燃料電池低溫起動(dòng)的模型研究方面進(jìn)行了大量研究，但以上研究均只側(cè)重于單電池的低溫起動(dòng)，未研究PEM燃料電池電堆的低溫起動(dòng)特性。而車用PEM燃料電池電堆是由幾十甚至幾百片單電池組成，在低溫起動(dòng)過(guò)程中單電池之間會(huì)相互影響，故有必要對(duì)車用PEM燃料電池電堆進(jìn)行低溫起動(dòng)研究。為此，基于車用燃料電池電堆搭建了低溫起動(dòng)試驗(yàn)臺(tái)架，對(duì)電堆低溫起動(dòng)性能進(jìn)行試驗(yàn)研究。

2 PEM燃料電池電堆及試驗(yàn)臺(tái)架

本試驗(yàn)采用的PEM燃料電池電堆（下稱電堆）為額定凈功率為6 kW的觀光車用電堆，以此電堆為核心集成的燃料電池系統(tǒng)分為氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、冷卻液循環(huán)系統(tǒng)以及電子負(fù)載與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)等，如圖1所示。搭建的試驗(yàn)臺(tái)架如圖2所示，其中高、低溫交變?cè)囼?yàn)箱PTC1410-D用于電堆的降溫冷卻，模擬冬季的低溫環(huán)境。在試驗(yàn)中，除儲(chǔ)氫系統(tǒng)外，其它系統(tǒng)部件均在環(huán)境倉(cāng)內(nèi)。

氫氣供給系統(tǒng)給電堆陽(yáng)極提供足量燃料供給，并使氫氣壓力保持在電堆可承受范圍內(nèi)；空氣供給系統(tǒng)根據(jù)電堆電流或負(fù)載工況，通過(guò)調(diào)節(jié)風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)速提供足量空氣供給；冷卻液循環(huán)系統(tǒng)通過(guò)大、小循環(huán)電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)電堆的溫度控制；電子負(fù)載提供外電路不同工況；數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采樣時(shí)間間隔為1 s，具備監(jiān)測(cè)電堆與單電池性能的能力。本文電堆是由90片活性面積為250 cm2的單電池構(gòu)成。

電堆低溫起動(dòng)性能影響因素試驗(yàn)測(cè)試流程如下：

a.電堆在額定條件下運(yùn)行直到電堆電壓穩(wěn)定，保證每次低溫起動(dòng)試驗(yàn)前電堆內(nèi)部水的分布及濕度的均勻性和穩(wěn)定性；

b.通過(guò)停機(jī)進(jìn)行吹掃來(lái)減少電堆內(nèi)含水量，其中，將風(fēng)機(jī)調(diào)至最大轉(zhuǎn)速對(duì)陰極側(cè)進(jìn)行吹掃，利用氮?dú)鈱?duì)陽(yáng)極側(cè)進(jìn)行吹掃；

c.開(kāi)啟高低溫交變箱給電堆降溫，降溫10 h后開(kāi)啟小循環(huán)冷卻回路，通過(guò)電堆出口處溫度傳感器監(jiān)測(cè)電堆內(nèi)部溫度[9]，如果電堆出口處溫度保持恒定，則認(rèn)為電堆內(nèi)部溫度分布均勻，如果電堆出口處溫度是變化的，則繼續(xù)冷卻電堆，直到電堆出口處溫度保持恒定為止；

d.進(jìn)行低溫起動(dòng)試驗(yàn)并采集試驗(yàn)數(shù)據(jù)；

e.重復(fù)上述試驗(yàn)過(guò)程直至試驗(yàn)測(cè)試結(jié)束。

3 試驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 不同起動(dòng)方式對(duì)電堆低溫起動(dòng)性能的影響

比較了恒電壓模式與恒電流模式起動(dòng)對(duì)電堆低溫起動(dòng)的影響，結(jié)果如圖3所示。

從圖3可以看出，恒電壓模式下電流值有一個(gè)快速上升的過(guò)程，此時(shí)的電流值是電堆在當(dāng)前狀態(tài)下所能產(chǎn)生的最大電流，同時(shí)產(chǎn)生了最高的熱量，在相對(duì)較低的起動(dòng)電壓下，恒電壓模式比恒電流模式更能實(shí)現(xiàn)電堆的快速升溫[10]。后續(xù)試驗(yàn)均采用恒電壓模式。

3.2 初始溫度、起動(dòng)電壓對(duì)電堆低溫起動(dòng)性能的影響

圖4為電堆初始溫度約為-5℃時(shí)，不同起動(dòng)電壓對(duì)電堆低溫起動(dòng)性能的影響結(jié)果。從圖4可看出，起動(dòng)電壓為30 V時(shí)的電堆溫度上升到零度的時(shí)間比起動(dòng)電壓為40 V時(shí)要短。這是由于起動(dòng)電壓較低時(shí)，根據(jù)電堆的發(fā)熱量公式（1）可知電堆電流相對(duì)較大，所以電堆產(chǎn)熱率也較高，電堆溫升快。

式中，Q為電堆發(fā)熱量；VC為電堆平均單體電壓；n為電堆單體數(shù)；i為電堆電流；t為電堆起動(dòng)時(shí)間。

圖5為電堆初始溫度約為-15℃時(shí)，不同起動(dòng)電壓對(duì)電堆低溫起動(dòng)性能的影響結(jié)果。從圖5可看出，起動(dòng)電壓為20 V時(shí)，電堆低溫起動(dòng)失敗；起動(dòng)電壓為30 V時(shí)，電堆起動(dòng)成功。這是由于起動(dòng)電壓過(guò)低時(shí)，由于電堆電流較大，根據(jù)電堆的產(chǎn)水量公式（2）可知電堆產(chǎn)水量也較大，故在低溫下更容易結(jié)冰。這將導(dǎo)致電堆催化層活性面積逐漸被冰覆蓋，電堆電流不斷減小直至電堆催化層完全被冰覆蓋，此時(shí)電流降為零，電堆低溫起動(dòng)失敗。

式中，mH2O為電堆產(chǎn)水量。

從起動(dòng)電壓對(duì)電堆低溫起動(dòng)影響的試驗(yàn)結(jié)果可知，低溫起動(dòng)過(guò)程是電堆發(fā)熱與產(chǎn)水結(jié)冰之間相互“競(jìng)爭(zhēng)”的過(guò)程，若既要增加電堆在低溫起動(dòng)過(guò)程中的產(chǎn)熱量，又要盡量減少電堆在反應(yīng)中的產(chǎn)水量，則起動(dòng)電壓取值既不能太高也不能太低。本試驗(yàn)的3個(gè)起動(dòng)電壓值中，30 V是最佳起動(dòng)電壓值。

從圖5b還可看出，電堆溫度上升到約-4℃時(shí)，電堆電流基本保持不變，電堆溫度上升到-2℃時(shí)，電堆電流開(kāi)始快速增大。這是由于電堆溫度在約-4℃時(shí)，其產(chǎn)熱率與水結(jié)冰速率處于動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)電流基本保持不變。隨電堆溫度繼續(xù)升高，電堆產(chǎn)熱速率大于水結(jié)冰速率，電堆內(nèi)部催化層活性面積不斷增加，電堆電流迅速增大。因此只要電堆溫度升溫能超過(guò)-4℃，電堆低溫起動(dòng)即可成功，這與文獻(xiàn)[9]中認(rèn)為陰極催化層中水的冰點(diǎn)約為-4℃的觀點(diǎn)一致。

3.3 初始溫度和起動(dòng)電壓對(duì)電堆溫升速率的影響

圖6為30 V恒電壓模式下，不同電堆初始溫度時(shí)低溫起動(dòng)過(guò)程中溫度變化曲線。從圖6可看出，電堆初始溫度越低，溫升速率越緩慢，電堆低溫起動(dòng)越困難。

圖7為電堆初始溫度為-10℃，以不同電壓起動(dòng)時(shí)的電堆溫度變化曲線。從圖7可看出，起動(dòng)電壓為30 V時(shí)，電堆溫升上升到0℃的時(shí)間最短，但初始電壓更低時(shí)（20 V），電堆溫度上升到0℃的時(shí)間反而相對(duì)更長(zhǎng)，這是由于電堆低溫起動(dòng)過(guò)程中，在不同起動(dòng)電壓下的產(chǎn)熱率與產(chǎn)水速率不同導(dǎo)致。

3.4 低溫起動(dòng)對(duì)電堆性能的影響

圖8為低溫起動(dòng)試驗(yàn)前、后在50℃電堆額定運(yùn)行狀態(tài)下測(cè)得的電堆極化曲線。從圖8可看出，經(jīng)過(guò)9次電堆低溫起動(dòng)試驗(yàn)后，電堆性能發(fā)生了明顯衰減。試驗(yàn)還對(duì)經(jīng)歷低溫起動(dòng)后的電堆內(nèi)部單電池進(jìn)行了電鏡掃描，如圖9所示。由圖9可看出，經(jīng)過(guò)低溫起動(dòng)后，由于反復(fù)的冰凍和解凍，電堆質(zhì)子交換膜上出現(xiàn)了裂紋及穿孔，這直接導(dǎo)致了電堆的損傷。

4 結(jié)束語(yǔ)

a.由于恒電壓模式下，電堆產(chǎn)生的電流是電堆在當(dāng)前狀態(tài)下所能產(chǎn)生的最大電流，同時(shí)產(chǎn)生了最高的熱量，故恒電壓模式相對(duì)于恒電流模式更能促進(jìn)電堆在冰點(diǎn)下的快速升溫；

b.起動(dòng)電壓為30 V時(shí)，電堆升溫速率快于起動(dòng)電壓為40 V和20 V時(shí)，這說(shuō)明起動(dòng)電壓并非越低越好，起動(dòng)電壓越低發(fā)熱量越大，但此時(shí)的產(chǎn)水量也越大，越容易結(jié)冰。

c.電堆溫度升至約-4℃時(shí)，電堆產(chǎn)熱率與水結(jié)冰速率處于動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)電流基本保持不變，隨電堆溫度繼續(xù)升高，電堆產(chǎn)熱速率大于水結(jié)冰速率，電堆電流值迅速增大，因此在保證電堆溫度上升到約-4℃，且電堆的電流不為零，則可實(shí)現(xiàn)電堆低溫起動(dòng)。

d.電堆初始溫度越低，溫升速率越緩慢，電堆低溫起動(dòng)越困難；

e.經(jīng)過(guò)冷起動(dòng)試驗(yàn)后電堆性能出現(xiàn)了衰減，必須采取措施減緩低溫起動(dòng)對(duì)電堆的損傷。

1 Wang Y,Chen K S,Mishler J,et al.A review of polymerelectrolyte membrane fuel cells:technology,applications, and needs on fundamental research.Applied Energy,2011, 88:981～1007.

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（責(zé)任編輯文 楫）

修改稿收到日期為2014年8月24日。

表5 動(dòng)力性與經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果

6 結(jié)束語(yǔ)

依據(jù)車輛在動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性方面的設(shè)計(jì)需求，確定了CA7CH350D濕式DCT的總體結(jié)構(gòu)方案，并對(duì)變速器同步器、駐車機(jī)構(gòu)和換擋機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)、布置形式和性能參數(shù)進(jìn)行了分析，同時(shí)對(duì)變速器的空間布置關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)的說(shuō)明，最后對(duì)裝載所設(shè)計(jì)變速器的車輛進(jìn)行了道路測(cè)試。試驗(yàn)結(jié)果表明，車輛的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性滿足設(shè)計(jì)需求，證明了CA7CH350D濕式DCT設(shè)計(jì)合理，可以實(shí)現(xiàn)工程化運(yùn)用。

參考文獻(xiàn)

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5 牛銘奎.雙離合器式自動(dòng)變速器系統(tǒng)，汽車技術(shù)，2004，6：1～3.

（責(zé)任編輯簾 青）

修改稿收到日期為2015年2月1日。

Cold Starting Test of a PEM Fuel Cell Stack

Li Yi,Xu Sichuan,Zhang Jie
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

In order to evaluate the influence of different parameters on the cold start performance of PEM fuel cell stack,an experimental platform on the cold start of fuel cell stack is established,the cold start performance of a 5 kW fuel cell stack is studied at temperatures of-5℃,-10℃and-15℃.The results show that potentiostatic mode is more advantageous to the temperature rise of fuel cell stack than the galvanostatic mode,and the temperature rises faster when the start voltage is 30 V compared with 40 V and 20 V.And the lower initial temperature,the slower the fuel cell stack temperature rising rate is.Furthermore,stack degradation occurs after the cold start,and the fuel cell stack proton exchange membrane damage is observed by SEM after cold starting,therefore measures shall be taken to mitigate the damage of the fuel cell stack caused by cold starting.

Fuel cell stack,Cold start,Test

燃料電池電堆 低溫起動(dòng) 試驗(yàn)

U463.64

A

1000-3703（2015）03-0031-05

國(guó)家“863”項(xiàng)目（2012AA110501）。