梁滿志， 范志先， 馮海明， 崔慶虎， 于任雯川

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

氫燃料電池汽車是我國新能源汽車戰(zhàn)略的重要組成部分,發(fā)達(dá)國家紛紛將其列入未來汽車發(fā)展方向。我國也出臺(tái)了一系列政策與規(guī)劃引導(dǎo)氫燃料電池技術(shù)和市場的進(jìn)一步發(fā)展，并開展小批量示范運(yùn)營。但目前國內(nèi)氫燃料電池汽車在商業(yè)化過程中還存在一些瓶頸問題，如核心技術(shù)與國際先進(jìn)水平仍有差距、產(chǎn)業(yè)鏈相對(duì)薄弱、耐久性有待進(jìn)一步提升等。

1 燃料電池客車技術(shù)現(xiàn)狀

1.1 國外技術(shù)現(xiàn)狀

國外先進(jìn)的燃料電池系統(tǒng)在耐久性、功率密度等性能方面取得明顯進(jìn)步，成本方面顯著降低，已進(jìn)入小批量產(chǎn)業(yè)化階段。國際上主要商用車企業(yè)的客車用燃料電池參數(shù)對(duì)比見表 1。

表1 國際上主要商用車企業(yè)的 FCE 參數(shù)

根據(jù)美國可再生能源實(shí)驗(yàn)室總結(jié)近2年美國FCBUS的運(yùn)行情況報(bào)告，燃料電池平均運(yùn)行時(shí)間已達(dá)到14 000 h，其中最長運(yùn)行時(shí)間(巴拉德)已經(jīng)超過25 000 h[1]。

1.2 國內(nèi)技術(shù)現(xiàn)狀

目前我國的氫能燃料電池尚屬于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期?？傮w來說，與國外先進(jìn)的燃料電池相比還有一些差距[2]。除了催化劑、碳紙、質(zhì)子交換膜、空壓機(jī)、氫循環(huán)泵等關(guān)鍵材料和零部件的產(chǎn)業(yè)化能力有待提升、技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)體系仍需完善之外，可靠性與耐久性等與國際先進(jìn)水平也存在一些差距，尤其在車載工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池可靠性與耐久性不僅與燃料電池電堆有關(guān)，還依賴于系統(tǒng)的集成與控制，包括氫氣供給、空氣供給、水熱管理等。因此，需加強(qiáng)燃料電池各子系統(tǒng)及控制策略研究，尤其要加強(qiáng)車載工況、低溫、雜質(zhì)等實(shí)際運(yùn)行環(huán)境下性能衰減機(jī)理與環(huán)境適應(yīng)性研究，從而大幅提升燃料電池產(chǎn)品的可靠性與耐久性[3]。

2 燃料電池系統(tǒng)耐久性控制技術(shù)

2.1 影響燃料電池壽命的因素

根據(jù)燃料電池的性能衰減機(jī)理，特別是在關(guān)鍵材料與部件失效、電堆內(nèi)部狀態(tài)一致性和運(yùn)行工況影響等方面[4]，影響燃料電池壽命的因素如下：

1) 啟動(dòng)-停機(jī)循環(huán)。會(huì)造成陰極催化劑表面積損失、催化劑層水聚焦、膜形成穿孔。其原因主要是催化劑顆粒由于碳腐蝕減小、催化劑層形態(tài)由于碳腐蝕發(fā)生劣化、干-濕循環(huán)形成機(jī)械應(yīng)力等導(dǎo)致膜的機(jī)械性能減弱。

2) 負(fù)載循環(huán)變化。會(huì)造成陰極催化劑表面積損失和膜形成穿孔。其原因主要是電位循環(huán)會(huì)導(dǎo)致催化劑流失，濕度、溫度和壓力循環(huán)會(huì)形成機(jī)械應(yīng)力，導(dǎo)致膜的老化。

3) 怠速。會(huì)造成膜穿孔和膜質(zhì)子交換能力下降，主要是由于過氧化氫的化學(xué)攻擊和膜分解物會(huì)導(dǎo)致膜中毒。

4) 大負(fù)載。會(huì)導(dǎo)致高溫條件下催化劑顆粒熟化，進(jìn)而造成催化劑表面積損失。

5) 苛刻的環(huán)境條件。會(huì)造成催化劑表面積損失、膜的質(zhì)子傳輸能力損失和GDL氣體滲透能力損失。主要原因是高溫環(huán)境下催化劑顆粒熟化、空氣/氫氣雜質(zhì)污染和流道內(nèi)灰塵聚焦。

本文從燃料電池客車的整車運(yùn)行工況和燃料電池系統(tǒng)的控制方面論述燃料電池耐久性控制技術(shù)。

2.2 燃料電池系統(tǒng)整車級(jí)耐久性控制技術(shù)

目前，基于成本和技術(shù)現(xiàn)狀的考慮，氫-電混合是燃料電池客車的主流技術(shù)路線，它集合了全功率燃料電池汽車(FCV)與純動(dòng)力電池汽車(EV)的優(yōu)點(diǎn)[5]，其動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型如圖1所示。

圖1 燃料電池客車動(dòng)力系統(tǒng)構(gòu)型

采用氫-電混合的控制策略，在勻速行駛階段，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)提供功率；在加速或爬坡行駛階段，燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)和動(dòng)力電池共同提供功率[6]。燃料電池系統(tǒng)整車級(jí)耐久性控制技術(shù)主要包括：

1) 盡量讓燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)工作在特定功率區(qū)域，減少變載可以穩(wěn)定質(zhì)子交換膜兩側(cè)壓差，減弱由于膜的機(jī)械運(yùn)動(dòng)而導(dǎo)致的性能衰減和催化劑的流失。

2) 設(shè)定較寬的動(dòng)力電池SOC區(qū)間，避免燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)頻繁變載。

3) 怠速和啟停將導(dǎo)致較為嚴(yán)重的燃料電池壽命衰減問題，故設(shè)定較寬的動(dòng)力電池SOC區(qū)間對(duì)應(yīng)于燃料電池的啟動(dòng)/停機(jī)工況，減少啟停次數(shù)。

根據(jù)以上情況，在原有整車控制策略的基礎(chǔ)上，優(yōu)化燃料電池的啟停控制和功率需求控制，優(yōu)化前后的整車控制策略見表2。

表2 燃料電池客車整車控制策略

2.3 燃料電池系統(tǒng)部件級(jí)耐久性控制技術(shù)

1) 燃料電池單體(單電池)電壓過高會(huì)造成單電池中的雙極板和碳紙中的碳被氧化，進(jìn)而造成催化劑鉑的流失，導(dǎo)致燃料電池壽命縮短[7]。開路、怠速、低載都會(huì)使單電池電壓升高，其中開路狀況會(huì)在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)啟停時(shí)出現(xiàn)。所以降低單電池電壓過高的控制策略是：設(shè)置寬動(dòng)力電池SOC區(qū)間，避免燃料電池頻繁啟停；燃料電池啟動(dòng)后不讓其輸出功率處于怠速狀態(tài)；對(duì)升壓DC/DC的請(qǐng)求功率跟隨單電池電壓進(jìn)行PID控制，避免單電池電壓超過0.8 V；在升壓DC/DC上加裝放電電阻，停車時(shí)燃料電池關(guān)機(jī)斷高壓后，迅速接通放電電阻，使高單電池電壓能夠迅速恢復(fù)到正常值以下。

2) 電堆陽極積水會(huì)造成氫饑餓，氫饑餓同樣會(huì)造成鉑催化劑被氧化，進(jìn)而影響燃料電池的耐久性?？赏ㄟ^增加氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速，提供充足的氫氣使氫氣流道中產(chǎn)生的水被流動(dòng)的氫氣帶走，從而避免陽極積水。

3) 通過化學(xué)空濾和交流脈沖掃描法恢復(fù)部分催化劑的活性?？諝庵械牧蚧锏入s質(zhì)較多，對(duì)燃料電池鉑催化劑是一個(gè)累積性的毒化作用。燃料電池系統(tǒng)的空氣過濾器又稱化學(xué)空濾，其主要原理是采用改性活性炭通過化學(xué)反應(yīng)吸附SO2等雜質(zhì)。除了定時(shí)更換化學(xué)空濾器外，還可采用在升壓DC/DC中設(shè)置交流脈沖電源，對(duì)MEA膜上的鉑催化劑中的SO2等雜質(zhì)進(jìn)行脈沖掃描，促使SO2等雜質(zhì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)[8]，從而解除SO2等雜質(zhì)占據(jù)鉑催化劑的活性位，恢復(fù)氧化還原反應(yīng)的進(jìn)行，有效抵抗污染空氣對(duì)燃料電池內(nèi)部鉑催化劑的毒化[9]。

目前車輛燃料電池系統(tǒng)的控制策略多采用基于簡化的整車需求功率進(jìn)行控制，即提前標(biāo)定若干個(gè)燃料電池功率點(diǎn)進(jìn)行穩(wěn)態(tài)功率輸出，比如6 kW、10 kW、12 kW、15 kW等。在這些功率點(diǎn)直接控制空壓機(jī)轉(zhuǎn)速/背壓閥開度、比例閥開度/氫氣循環(huán)泵轉(zhuǎn)速或氫氣噴射頻率等參數(shù)，整車的需求功率在這些功率點(diǎn)進(jìn)行選擇或燃料電池只響應(yīng)這些功率點(diǎn)下的需求。這種控制策略使燃料電池在穩(wěn)態(tài)輸出的情況下具備一定的耐久性，但如要將燃料電池放在車載動(dòng)態(tài)工況下進(jìn)行動(dòng)態(tài)功率輸出響應(yīng)，則還需要對(duì)燃料電池進(jìn)行更加復(fù)雜的技術(shù)控制。本文對(duì)以上控制策略進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，開發(fā)了燃料電池系統(tǒng)的多模式耐久性控制策略，如圖2所示。

圖2 燃料電池系統(tǒng)多模式耐久性控制策略

3 燃料電池系統(tǒng)耐久性測(cè)試

3.1 燃料電池系統(tǒng)臺(tái)架耐久性測(cè)試

采用自主研發(fā)的燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)，匹配30 kW的燃料電池電堆。基于圖2所示的多模式耐久性控制策略，進(jìn)行燃料電池耐久性臺(tái)架試驗(yàn)。經(jīng)過500 h的耐久測(cè)試，數(shù)據(jù)顯示性能沒有降低。如圖3所示。

圖3 燃料電池電堆性能測(cè)試結(jié)果

3.2 燃料電池客車實(shí)際道路耐久性測(cè)試

選取40輛燃料電池客車訂單中的5輛車，采用表2和圖2所示的優(yōu)化后整車控制策略和燃料電池系統(tǒng)多模式耐久性控制策略，進(jìn)行30 000 km的實(shí)際道路運(yùn)行試驗(yàn)并跟蹤其狀態(tài)，燃料電池系統(tǒng)耐久性測(cè)試結(jié)果如圖4所示。

圖4 道路行駛30 000 km燃料電池耐久性測(cè)試結(jié)果

此5輛車運(yùn)行12 000 km左右時(shí)普遍出現(xiàn)燃料電池性能提升，略有超過預(yù)期的情況，其中3號(hào)車的情況見表3。其原因?yàn)殡姸呀?jīng)過一段時(shí)間的工作活化，其內(nèi)部的濕度等指標(biāo)優(yōu)于初始值。另外，其中3號(hào)車在27 000 km左右時(shí)，電堆電流和電堆功率衰減較為明顯，超過2%，原因是此時(shí)正值冬季供暖時(shí)間，空氣中的SO2雜質(zhì)較多，其化學(xué)空濾提前達(dá)到飽和，無法過濾更多的有害氣體。除更換已飽和的化學(xué)空濾外，還對(duì)燃料電池電堆啟動(dòng)交流脈沖掃描法恢復(fù)措施[9]，從而燃料電池的性能得到回升。3號(hào)車的運(yùn)行數(shù)據(jù)見表3和圖5。其余4輛車經(jīng)過30 000 km的跟蹤觀察，其衰減幅度在0.7%～1.7%，均在預(yù)期的合理范圍內(nèi)。

表3 3號(hào)車燃料電池耐久性數(shù)據(jù)變化率

圖5 3號(hào)車路測(cè)試過程中電堆數(shù)據(jù)變化曲線

4 結(jié)束語

本文介紹了國內(nèi)外燃料電池客車技術(shù)現(xiàn)狀，分別從燃料電池客車整車角度和燃料電池系統(tǒng)的角度探討了燃料電池的耐久性控制技術(shù)，通過減緩燃料電池性能衰減的控制方法，開發(fā)了燃料電池多模式耐久性控制策略，并進(jìn)行燃料電池的臺(tái)架測(cè)試和實(shí)際道路測(cè)試驗(yàn)證。