劉鵬程，許思傳

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院,上海201804）

質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC）具有能量轉(zhuǎn)化效率高、能量密度大、工作溫度低、零排放等優(yōu)點(diǎn)，其在車輛動(dòng)力系統(tǒng)中顯示出強(qiáng)大的潛力[1-2]。然而，車用燃料電池系統(tǒng)經(jīng)常處于動(dòng)態(tài)運(yùn)行情形下，頻繁啟停、怠速、變載和高負(fù)荷都對(duì)燃料電池的壽命有很大影響,其中頻繁變載是車用工況中對(duì)燃料電池耐久性影響最大的因素，也是導(dǎo)致燃料電池性能衰減的主要原因之一，達(dá)到56.5%[3]。故動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力是影響車用PEMFC壽命的關(guān)鍵因素之一，研究PEMFC運(yùn)行過程中的動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性對(duì)于延長(zhǎng)車用燃料電池系統(tǒng)的耐久性和可靠性具有重要意義[4-5]。

影響PEMFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程的因素主要有電化學(xué)雙層電荷傳遞、氣體在流道和擴(kuò)散層的傳遞以及膜的水合/脫水過程。其中，由于電化學(xué)雙層放電速度快，可以忽略這一過程，氣體擴(kuò)散傳遞和膜水合/脫水的時(shí)間常數(shù)分別為0.1～1s和25s[6]。由于系統(tǒng)延遲的影響，車用PEMFC電堆的時(shí)間常數(shù)要長(zhǎng)得多，同時(shí)電堆溫度的變化也影響電堆的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程[7]。大量學(xué)者通過建立動(dòng)態(tài)模型和設(shè)計(jì)試驗(yàn)對(duì)燃料電池動(dòng)態(tài)變載做了深入的研究，車用燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程非常復(fù)雜，主要受燃料電池結(jié)構(gòu)和材料[8-13]、運(yùn)行參數(shù)[14-21]和系統(tǒng)控制[22-28]等方面的影響。

燃料電池結(jié)構(gòu)和材料的不同會(huì)造成動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力存在很大的差異，提升材料的性能和優(yōu)化燃料電池內(nèi)部結(jié)構(gòu)有利于改善動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。Zhang等[8]通過試驗(yàn)探究發(fā)現(xiàn)高溫質(zhì)子交換膜燃料電池動(dòng)態(tài)性能受聚苯并咪唑（PBI）膜中水合/脫水過程的影響。Lu等[9]采用溶膠-凝膠法制備了Pt/C-RuO2·xH2O催化劑以提高PEMFC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。制備的新型催化劑Pt/C顆粒平均粒徑為8nm且顆粒均勻分布。試驗(yàn)結(jié)果表明，采用RuO2·xH2O的MEA（membrane electrode assembly，膜電極）穩(wěn)態(tài)性能優(yōu)于不使用RuO2·xH2O的MEA，使用RuO2·xH2O可以緩解電壓下沖現(xiàn)象，提高穩(wěn)定性并延長(zhǎng)PEMFC電堆壽命。陳會(huì)翠[10]通過建立三維兩相流模型發(fā)現(xiàn)提高氣體擴(kuò)散層的毛細(xì)擴(kuò)散系數(shù)會(huì)在水淹的情況下很大程度上提高燃料電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)能力，小截面積燃料電池則更有利于氣體的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。Cho等[11]試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)微孔層（MPL）滲透入擴(kuò)散層（GDL）的厚度影響GDL的孔隙分布，由于GDL具有良好的除水/保水平衡能力，滲透厚度較大的GDL在濕度較高和較低條件下均表現(xiàn)出較好的瞬態(tài)響應(yīng)性能。曹濤鋒等[12]試驗(yàn)研究了流場(chǎng)板結(jié)構(gòu)對(duì)負(fù)載變化時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)輸出性能的影響，在負(fù)載電流較小的運(yùn)行區(qū)間，平行流場(chǎng)板的排水能力最弱，可以最大限度地保證膜的潤(rùn)濕性。大電流下，由于平行流場(chǎng)板排水能力的限制，造成電極內(nèi)發(fā)生水淹現(xiàn)象，蛇形流場(chǎng)板性能的動(dòng)態(tài)輸出性能較好。

車用燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)中，空氣、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)，熱管理子系統(tǒng)和電氣控制子系統(tǒng)必須同時(shí)工作以確保電堆的氣體供應(yīng)和在合適的溫度范圍內(nèi)工作。電堆在工作狀態(tài)下，氣體供應(yīng)條件和負(fù)載的變化直接影響其動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中的性能輸出。王誠(chéng)等[14]通過試驗(yàn)表明，在一定范圍內(nèi)溫度和壓力越高，電堆的輸出性能越好。Kim等[15]將電流密度從0.4A/cm2階躍變化為1.3A/cm2時(shí)發(fā)現(xiàn)盡管壓力與質(zhì)量流量供應(yīng)成正比，但陰極和陽極工作壓力變化規(guī)律不同，陰極側(cè)出現(xiàn)峰值，陽極側(cè)變化平穩(wěn)。華周發(fā)等[16]發(fā)現(xiàn)當(dāng)陰極空氣化學(xué)計(jì)量比大于3時(shí)，在低電流密度區(qū)，PEMFC下沖差別不明顯，高電流密度區(qū)由于液態(tài)水的堆積，PEMFC下沖有較大差別。Kim等[17]通過確定最佳的空氣化學(xué)計(jì)量比，使負(fù)載變化下的電壓下沖和電壓波動(dòng)最小化。在動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中，確定最佳空氣化學(xué)計(jì)量比為2.0～2.5。Tang等[18]發(fā)現(xiàn)空氣流量也隨著動(dòng)態(tài)負(fù)荷的變化而變化。不同階躍變化過程中空氣流量的增加量是不一樣的，這取決于內(nèi)部反應(yīng)和水淹情況。張竹茜等[19]認(rèn)為通過陰極加濕可以提高PEMFC的電化學(xué)響應(yīng)特性。華周發(fā)等[16]認(rèn)為陰極空氣加濕濕度太低或者太高都會(huì)引起PEMFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)的較大變化，在高于50%但是小于100%的進(jìn)氣濕度情形下，會(huì)達(dá)到一個(gè)很好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。陳會(huì)翠等[20-21]通過建立等效電路模型研究PEMFC動(dòng)態(tài)變載過程的電壓響應(yīng)發(fā)現(xiàn)，隨著負(fù)載幅值的減小，電壓響應(yīng)的下沖幅值和穩(wěn)定時(shí)間減小。如果變載幅度太大，可能出現(xiàn)電壓的反極現(xiàn)象。電流密度階躍幅值越大，氣體流量、加濕度等操作條件對(duì)PEMFC動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響差別越大。

燃料電池的系統(tǒng)控制策略和控制方式對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的輸出性能具有很大影響，同時(shí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)工況影響燃料電池的可靠性和耐久性。Corbo等[22]在歐洲R40循環(huán)工況下進(jìn)行工況試驗(yàn)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中合適的空氣管理策略可以提高燃料電池的系統(tǒng)效率，系統(tǒng)效率45%～48%，而在驅(qū)動(dòng)循環(huán)期間，總的動(dòng)力傳動(dòng)系統(tǒng)效率達(dá)到30%。陽極吹掃操作有利于動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中電壓的恢復(fù)和提高，恢復(fù)時(shí)間取決于

負(fù)載電流的高低，隨著電流的增加，為防止陽極流道和陽極氣體擴(kuò)散層水淹，吹掃閥的操作頻率也應(yīng)該隨之增加[18,23]。Wan等[24]在40～90A的負(fù)載變化范圍內(nèi)，通過對(duì)冷卻液溫度的控制發(fā)現(xiàn)即使在高電流密度下電堆也可以實(shí)現(xiàn)快速冷卻響應(yīng)。此外，在燃料電池加載不同類型的負(fù)載時(shí)，其響應(yīng)特性有較大差異。同樣階躍電流情形下，加載純阻性負(fù)載比加載沖擊性負(fù)載響應(yīng)時(shí)間更短，低調(diào)量更小。沖擊性負(fù)載，非線性負(fù)載，含電機(jī)類的器件，如冷卻水循環(huán)水泵、氫氣循環(huán)泵、空氣壓縮機(jī)等都可能會(huì)造成電流的瞬間增大，當(dāng)氣體供給不足以支撐瞬時(shí)大電流沖擊時(shí)，極易造成氣體不足引起電極“饑餓”,造成燃料電池反極[25]。Wang等[26]利用透明PEMFC研究了機(jī)械振動(dòng)對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。結(jié)果表明，電流密度階躍變化后，電壓在振動(dòng)和無振動(dòng)下的穩(wěn)定時(shí)間分別需要50s和20s左右。同時(shí)，在振動(dòng)情形下檢測(cè)到電壓出現(xiàn)波動(dòng)，突然振動(dòng)會(huì)引起小液滴合并成大液滴，而較大的液滴會(huì)干擾氣體的傳質(zhì)過程。此外，Lin等[27-28]通過模擬汽車工況，研究了動(dòng)態(tài)加載循環(huán)條件下PEMFC性能的衰減。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)燃料電池在運(yùn)行280h后，性能迅速下降。經(jīng)過370h的測(cè)試，Pt顆粒在催化劑層中的分布出現(xiàn)不均勻且尺寸明顯增大，有些還分散在膜中，催化層出現(xiàn)裂紋和縫隙。這種微觀結(jié)構(gòu)的變化與MEA的電化學(xué)活性失效以及膜內(nèi)阻的增加有關(guān)。電堆進(jìn)口和出口區(qū)域的電流密度下降速度比其他部分快得多。

質(zhì)子交換膜燃料電池在動(dòng)態(tài)工況運(yùn)行過程中，電池本身材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)及傳熱傳質(zhì)的動(dòng)態(tài)過程。另外，燃料電池系統(tǒng)供氣特性及系統(tǒng)控制策略也會(huì)對(duì)電池的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能和耐久性造成影響。具體的影響方式和程度又與具體的負(fù)載變化（工況變化）、燃料電池的材料及結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運(yùn)行參數(shù)及控制策略等密切相關(guān)。本文參考同濟(jì)大學(xué)自定義測(cè)試工況，對(duì)低壓燃料電池系統(tǒng)在車載工況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)研究。首先分析了電堆的輸出電壓和功率、反應(yīng)物供氣流量/壓力響應(yīng)和冷卻液溫度等變化情況，接著討論了動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中電堆單電池之間的均衡性變化，最后研究了動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中出現(xiàn)的上調(diào)和下沖特性等。以期為燃料電池電堆在動(dòng)態(tài)工況下的性能輸出和耐久性試驗(yàn)研究提供相應(yīng)參考。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)設(shè)備

試驗(yàn)在自建PEMFC測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和框架如圖1所示。燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制及監(jiān)測(cè)系統(tǒng)組成。試驗(yàn)采用有30個(gè)單電池、活化面積為270cm2的電堆，電堆詳細(xì)參數(shù)見表1。對(duì)于氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)，來自高壓氫罐（15MPa）的高純氫氣（大于99.99%）經(jīng)減壓閥和比例閥減壓后進(jìn)入電堆陽極流道，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水?dāng)U散到陽極為氫氣增濕。陽極氣體壓力由控制器控制，并與外部負(fù)載有關(guān)。同時(shí)電堆陽極運(yùn)行于死端模式，通過控制吹掃閥，可以周期性地排出多余的水和殘余氣體，有助于電堆性能的恢復(fù)和提高。在空氣供應(yīng)子系統(tǒng)，空氣經(jīng)過過濾器由鼓風(fēng)機(jī)供給電堆陰極，并為電堆陰極提供氧氣。為了保證PEMFC電堆的輸出性能，在進(jìn)入電堆之前，采用博純加濕器FC300對(duì)干空氣進(jìn)行加濕，電堆陰極出口濕空氣為加濕器提供濕蒸汽。兩個(gè)電磁閥由控制器控制，以確保電堆陰極入口的濕度。熱管理子系統(tǒng)旨在使電堆運(yùn)行在目標(biāo)工作溫度，包含兩個(gè)回路：第一個(gè)回路裝有PTC加熱器，主要用于電堆低溫啟動(dòng)模式；第二個(gè)回路包括散熱器和風(fēng)扇，用于電堆的正常運(yùn)行模式。兩個(gè)電磁閥用于控制冷卻液回路。冷卻水泵循環(huán)回路中的冷卻劑（去離子水）將電堆產(chǎn)生的熱量送入散熱器和風(fēng)扇進(jìn)行耗散，使電堆溫度保持在目標(biāo)值范圍內(nèi)。所有傳感器均能在-20℃以下工作，溫度、壓力、濕度傳感器的精度分別為0.5%、0.25%和0.5%。在中心控制和監(jiān)控子系統(tǒng)中，試驗(yàn)采用了菊水（KIKUSUI）電子負(fù)載7000-04，最大功率達(dá)到7000W。測(cè)試平臺(tái)配有單電池電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備（CVM），用于隨時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)電堆30片單體電池的電壓信息。采用上海尚毅公司的信號(hào)調(diào)理箱以驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)（如風(fēng)扇），并為傳感器和閥門提供24V的電源。同時(shí)采用NI控制器和Veristand軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和試驗(yàn)觀測(cè)。

圖1 燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架原理圖

表1 試驗(yàn)電堆詳細(xì)參數(shù)

1.2 試驗(yàn)工況及條件

試驗(yàn)參考同濟(jì)大學(xué)自制工況[29]，同時(shí)借鑒Hou等[30]測(cè)試工況和方法，并結(jié)合本試驗(yàn)用燃料電池系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，加載的動(dòng)態(tài)工況電流如圖2所示。整個(gè)動(dòng)態(tài)工況共620s，動(dòng)態(tài)工況包括怠速、部分功率運(yùn)行、額定功率運(yùn)行和超負(fù)荷運(yùn)行等。試驗(yàn)過程中，將該電流循環(huán)曲線導(dǎo)入燃料電池測(cè)試系統(tǒng)電子負(fù)載控制軟件Wavy中，對(duì)電堆的運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)置，氫氣壓力保持在20kPa（表壓），陽極吹掃閥的開啟頻率為0.5/4s，空氣質(zhì)量流量設(shè)置為12g/s，陰極進(jìn)氣濕度≥90%，控制電堆冷卻液出口溫度為55～60℃，進(jìn)出口溫差保持在5℃以內(nèi)，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄相應(yīng)的電壓響應(yīng)及其他參數(shù)變量。

圖2 動(dòng)態(tài)工況負(fù)載電流圖

2 結(jié)果與分析

2.1 電堆性能隨工況的變化

PEMFC電堆首先進(jìn)行了2h的穩(wěn)定運(yùn)行，待性能穩(wěn)定后進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況的運(yùn)行拉載測(cè)試。圖3為電堆輸出電壓和功率隨運(yùn)行工況的變化情況。電堆電壓和功率跟隨電子負(fù)載的需求（即電流）的變化而發(fā)生相應(yīng)變化，在電流階躍變化過程中，電壓和功率都出現(xiàn)了明顯的上調(diào)和下沖現(xiàn)象，文獻(xiàn)[31-33]對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋和描述。當(dāng)負(fù)載電流突然增大時(shí)，更多氫離子從陽極遷移到陰極而引起短暫的膜失水（電滲拖拽作用），導(dǎo)致歐姆阻抗增加，陰極水增多，進(jìn)而發(fā)生水淹，造成電堆瞬時(shí)缺氣，并處于瞬時(shí)“饑餓”狀態(tài)，出現(xiàn)電堆電壓下沖現(xiàn)象。然后由于反擴(kuò)散作用從陰極到陽極側(cè)，膜重新達(dá)到水合狀態(tài)，氣體供應(yīng)恢復(fù)穩(wěn)定，電壓性能逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電流突然下降時(shí)，陽極電拖效應(yīng)降低，陰極的多余水由于反擴(kuò)散的作用使膜更加濕潤(rùn)，導(dǎo)致歐姆內(nèi)阻降低，同時(shí)由于氣體供應(yīng)量更加充足，造成電堆性能出現(xiàn)上調(diào)現(xiàn)象，隨著電堆內(nèi)部水熱傳遞和氣體傳質(zhì)趨于穩(wěn)定，電堆的輸出性能逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。電堆在整個(gè)動(dòng)態(tài)工況下輸出良好，在額定和超負(fù)荷情況下也能保持良好的輸出狀態(tài)，電堆的最大穩(wěn)態(tài)輸出功率達(dá)到了3600W，電堆電壓為18V。此外，電堆的下沖現(xiàn)象比上調(diào)現(xiàn)象更加明顯，主要是因?yàn)殡A躍增加的電流略大于階躍降低的電流。電流越小，電堆陰極產(chǎn)生的水越少，膜水合和氣體供應(yīng)更容易達(dá)到平衡狀態(tài)，電堆性能輸出更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于電堆的功率響應(yīng)，在電流階躍轉(zhuǎn)換過程中，由于電壓輸出采集的滯后性，功率會(huì)出現(xiàn)瞬態(tài)上調(diào)和下沖，上調(diào)現(xiàn)象更加明顯，最大上調(diào)量在電流從67A變化到170A時(shí)產(chǎn)生，最大輸出值為3785W，這是由于電流突然階躍變大過程中，電堆內(nèi)部轉(zhuǎn)移的電荷更多，瞬態(tài)滯后性稍長(zhǎng)，上調(diào)量更大且更明顯，但總體持續(xù)時(shí)間都很短，在1s以內(nèi)，此后功率的變化趨勢(shì)跟隨電壓的輸出趨勢(shì)，最后達(dá)到穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，直到下一個(gè)階躍引起相應(yīng)的變化。

圖3 電堆電壓和功率隨動(dòng)態(tài)工況的運(yùn)行變化

圖4是全動(dòng)態(tài)工況下，單電池最高電壓、最低電壓、平均電壓及電堆效率隨時(shí)間的變化情況。單電池的平均電壓、最高電壓、最低電壓基本保持相似的輸出趨勢(shì)，但是在超負(fù)荷（200A）運(yùn)行狀態(tài)下，單電池之間電壓波動(dòng)更加明顯，特別是單電池最低電壓，當(dāng)動(dòng)態(tài)工況運(yùn)行至500s時(shí)，單電池最低電壓開始持續(xù)下降，下降到0.486V，與最高單電池電壓（0.637V）相差0.151V，而平均電壓為0.6V，單電池電壓輸出的均衡性持續(xù)變差，電堆的運(yùn)行穩(wěn)定性降低，進(jìn)而會(huì)引起耐久性的下降，因此，在實(shí)際運(yùn)行過程中應(yīng)該避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)。最低單電池電壓出現(xiàn)在第一片單電池，這是由于大電流情況下單電池出現(xiàn)了水淹狀況，導(dǎo)致氣體傳質(zhì)受阻，引起供氣不足，單電池性能輸出下降。在實(shí)際的車載燃料電池大功率電堆中，單電池由于氣體分布的不均勻性可能引起更大的性能輸出差異，不僅會(huì)造成單電池輸出性能的降低，甚至?xí)鸱礃O現(xiàn)象。電堆效率的計(jì)算如式(1)所示。

圖4 單電池最高、最低、平均電壓及電堆效率隨工況動(dòng)態(tài)的變化

式中，V標(biāo)為燃料電池標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的可逆電壓[34]，V標(biāo)=1.23V。故電堆最高效率在低電流區(qū)間取得，最大為72.5%，最低效率在高電流區(qū)間取得，最低效率為47.5%。但在實(shí)際工況下，低電流區(qū)間內(nèi)氣體（氫氣）利用率偏低，會(huì)引起較大的氫氣浪費(fèi)，所以此低壓燃料電池系統(tǒng)氣體供應(yīng)需特別優(yōu)化。

圖5展示了動(dòng)態(tài)工況下氣體供應(yīng)和電堆進(jìn)出口冷卻液溫度情況。在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過程中，吹掃閥按照設(shè)定頻率開啟，故電堆氫氣壓力出現(xiàn)周期性波動(dòng)，但氫氣進(jìn)氣壓力基本維持在20kPa（相對(duì)壓力）?？諝赓|(zhì)量流量也基本上保持在12g/s，同時(shí)陰極進(jìn)氣相對(duì)濕度保持在90%以上，陰極對(duì)應(yīng)進(jìn)堆壓力約為15kPa（相對(duì)壓力）。即使在氫氣吹掃閥的開啟時(shí)刻，氫氣進(jìn)氣瞬時(shí)壓力增加，最高達(dá)到34kPa，也依然維持膜兩側(cè)壓差在50kPa的范圍內(nèi)，保證膜電極的機(jī)械強(qiáng)度。電堆冷卻液出口溫度總體上維持在55～60℃之內(nèi)，但在超負(fù)荷運(yùn)行情形下，電堆產(chǎn)熱量大，電堆出口冷卻液溫度上升明顯，最高達(dá)到了62℃。此外，電堆冷卻液進(jìn)出口溫度的變化趨勢(shì)基本相同，小電流下進(jìn)出口溫差較小，大電流下進(jìn)出口溫差較大，特別是在200A運(yùn)行狀況下，進(jìn)出口溫差持續(xù)增大，但也低于5℃，滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值要求，同時(shí)也保證了燃料電池在整個(gè)反應(yīng)截面積上的溫度梯度，降低了熱應(yīng)力對(duì)膜電極的影響，增加了燃料電池電堆的耐久性。

圖5 氫氣壓力、空氣進(jìn)氣流量、濕度、冷卻液進(jìn)出口溫度隨工況的變化

2.2 單電池電壓均衡性

燃料電池電堆運(yùn)行過程中單電池之間均衡性差異與燃料電池的壽命和可靠性有很大關(guān)系，具體分析動(dòng)態(tài)工況響應(yīng)過程中單電池的均衡性變化，對(duì)提高運(yùn)行過程中的均衡性和燃料電池的耐久性具有重要意義。

燃料電池單電池之間電壓均衡性差異可用電壓差異系數(shù)Cv表示[29,35]，如式(2)所示。

式中，Vi為第i片單電池輸出電壓；為單電池平均電壓；N為單電池?cái)?shù)量。圖6為單電池電壓差異系數(shù)Cv值隨工況的變化情況。電流階躍變化時(shí)刻，電堆的均衡性變化很大，出現(xiàn)了瞬時(shí)激增的現(xiàn)象，總體上電流階躍降低時(shí)刻的Cv突變值為7%～9%，而電流階躍增大時(shí)刻的Cv突變值在11%～13%，Cv出現(xiàn)更加明顯的變化量，這是由于電流突增引起單電池之間更大的氣體供應(yīng)不均，膜陽極側(cè)失水造成的歐姆阻抗增大也會(huì)加劇單電池電壓輸出的不均勻性。同時(shí)也對(duì)應(yīng)于圖7中電堆電壓更加明顯的下沖現(xiàn)象。

圖6 C v值隨工況的變化

燃料電池電堆在超負(fù)荷運(yùn)行狀況下，Cv值呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)，表明電堆的均衡性逐漸變差，最高達(dá)到了4.95%。此時(shí)，電流出現(xiàn)了階躍變化，造成電堆均衡性急劇變化，如圖7所示，為Cv最大時(shí)刻及其前后時(shí)刻各個(gè)單電池的電壓情況。藍(lán)色線條為Cv為4.95%時(shí)刻單電池電壓，可以看到電堆前端幾片單電池和中間單電池電壓呈現(xiàn)較低狀態(tài)，主要是因?yàn)榍岸藥灼瑔坞姵厝菀壮霈F(xiàn)水淹狀況，造成性能下降。中間單電池由于溫度較高，使得膜更易失水，內(nèi)阻增大，輸出性能較低。故燃料電池在超負(fù)荷運(yùn)行情形下一定要保證氣體供應(yīng)充足，避免電堆不均衡性的增加。當(dāng)負(fù)載電流出現(xiàn)階躍變化時(shí)，電堆內(nèi)各單電池之間電壓響應(yīng)的不同會(huì)造成更大的不均衡性，如紅色線條所示，即一些單電池已經(jīng)變化到變載后電流（5A）所對(duì)應(yīng)的電壓，而另外一些單電池依然處于上一時(shí)刻狀態(tài)，Cv值達(dá)到19.41%，單電池之間對(duì)電流的敏感性差異造成了變載過程中出現(xiàn)巨大的不一致性。變載完后，此時(shí)電子負(fù)載控制為小電流情形，電堆單電池之間輸出性能良好，電壓均衡性很好，Cv值達(dá)到0.38%。

圖7 C v值最大及其前后時(shí)刻單電池電壓

圖8為不同電流且電堆穩(wěn)定運(yùn)行情況下各單電池電壓分布圖。隨著拉載電流的增加，單電池電壓差異系數(shù)Cv變大，即單電池電壓均衡性下降，這是由于電堆進(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致進(jìn)入每片單電池的氣體流量并不均勻，其次拉載電流的增加造成反應(yīng)物消耗量增加，會(huì)進(jìn)一步造成單電池之間輸出性能的差異性，造成Cv值增加，電堆均衡性下降。當(dāng)電堆在170A額定電流下運(yùn)行時(shí)，此時(shí)空氣的化學(xué)計(jì)量比為6.57，單電池電壓并未出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)出較高的均衡性，故對(duì)于低壓燃料電池系統(tǒng)，應(yīng)該通入更高化學(xué)計(jì)量比的氣體量以維持燃料電池的輸出性能。

圖8 不同電流值下的單電池電壓

2.3 電堆動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

在動(dòng)態(tài)運(yùn)行響應(yīng)過程中，電堆輸出電壓將隨著電流的階躍變化而發(fā)生響應(yīng)輸出變化，并經(jīng)過一個(gè)過渡過程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化過程特性具有重要意義。針對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，探究了3個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，即電堆電壓最大階躍幅值、電壓波動(dòng)率和動(dòng)態(tài)阻抗因子。

動(dòng)態(tài)響應(yīng)電壓階躍幅值如式(3)所示，V為電流階躍變化后電堆電壓對(duì)應(yīng)的輸出值；Vs為此電流下電堆輸出的穩(wěn)態(tài)電壓；ΔV為電堆輸出電壓與穩(wěn)定值之差。圖9為電堆電壓針對(duì)電流變化時(shí)刻出現(xiàn)的最大變化幅值?？梢詮膱D中看到，電堆電壓的下沖值總是大于上調(diào)值，最大的上調(diào)值大約為0.6V，基本上等于電壓的最小下沖值，電流的階躍增加對(duì)電堆電壓輸出的影響總是大于電流的階躍降低對(duì)電堆電壓輸出的影響，這是由于電流階躍增加時(shí)，電堆對(duì)氣體的需求增加，更容易造成瞬態(tài)供氣不足，同時(shí)膜中由于電拖效應(yīng)導(dǎo)致陽極失水，膜阻抗增大，導(dǎo)致階躍電流的變化對(duì)瞬態(tài)電壓輸出下沖影響更大。此外，電壓的最大下沖值和上調(diào)值都隨著階躍的變化先增加后降低，最大的下沖值為1.23V，此時(shí)電流由50A階躍變化到150A，階躍變化為100A，電堆冷卻液出口溫度為55.5℃。而當(dāng)電流從68A階躍到170A時(shí)，階躍變化為102A，電堆冷卻液出口溫度約為59.6℃，最大的下沖值為0.67V，小于1.23V。這是因?yàn)殡姸褱囟鹊纳邥?huì)提高流道中氣體的飽和蒸氣壓，同時(shí)降低液態(tài)水的表面張力和黏度，隨著蒸發(fā)率的提高，瞬時(shí)水淹發(fā)生的可能性降低[36]，更好地保障了電堆瞬時(shí)氣體的供應(yīng)，電堆電壓的下沖值呈現(xiàn)出較低的狀態(tài)。

圖9 電堆電壓最大上調(diào)和下沖值

圖10為電流階躍變化時(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中的電壓波動(dòng)率，可由式(4)[31]表示。由于氣體的快速補(bǔ)充，初始階段電壓波動(dòng)率隨著時(shí)間而快速減小，然后隨著陰極水的反擴(kuò)散和膜中水合作用，電壓波動(dòng)率變得緩慢，并逐漸趨于0。電壓下沖的波動(dòng)率明顯大于電壓上調(diào)的波動(dòng)率。上調(diào)的波動(dòng)率幾乎都處于0.02以下或者在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（＜0.02)[31]。電壓下沖的波動(dòng)率最高值為0.063，但電壓響應(yīng)的下沖變化能在10s內(nèi)使輸出電壓達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（＜0.02），即燃料電池在階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

圖10 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中電堆電壓的波動(dòng)率

圖11表示燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中的動(dòng)態(tài)阻抗值，動(dòng)態(tài)阻抗可由式(5)[36]表示，ΔI為電流階躍變化值。雖然階躍上升的電流大于階躍下降的電流，但由于電壓變化幅值較大，總體上下沖時(shí)的動(dòng)態(tài)阻抗大于電壓上調(diào)時(shí)的變化，最大的動(dòng)態(tài)阻抗為12.48mΩ。此外，在整個(gè)動(dòng)態(tài)過程，動(dòng)態(tài)阻抗都處于降低的過程中，說明電堆電壓都處于向穩(wěn)態(tài)變化的過程中。由于從I3=17A時(shí)階躍電流（68A）較小，所以整個(gè)變化過程較緩慢，但整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程動(dòng)態(tài)阻抗因子在20s內(nèi)都小于2mΩ，同時(shí)電堆的動(dòng)態(tài)阻抗值也持續(xù)偏小。

圖11 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過程中的動(dòng)態(tài)阻抗圖

3 結(jié)論

本文利用低壓燃料電池系統(tǒng)在燃料電池臺(tái)架上對(duì)車載動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行了試驗(yàn)探究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了動(dòng)態(tài)工況下的輸出特性、單電池電壓均衡性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，總結(jié)如下。

（1）電流階躍變化過程中，電堆單電池電壓均衡性出現(xiàn)激增現(xiàn)象，最大Cv值達(dá)到19.41%，電堆輸出功率也瞬間突增變化到3785W。隨著電流的升高，穩(wěn)定運(yùn)行下電堆均衡性下降。超負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下，電堆前端和中間處單電池電壓輸出較低，為保證燃料電池在高負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)下正常運(yùn)行，對(duì)于低壓燃料電池系統(tǒng)，應(yīng)該供應(yīng)大化學(xué)計(jì)量比的氣體以保證電堆的輸出性能。

（2）電堆電壓下沖的最大幅值總是大于電堆電壓上調(diào)的最大幅值，即電流階躍增大對(duì)電壓輸出的影響更大。同時(shí)整個(gè)動(dòng)態(tài)過程電壓響應(yīng)的上調(diào)和下沖值都能在10s內(nèi)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（電壓波動(dòng)率＜2%），具有良好的動(dòng)態(tài)輸出性能。

本研究通過研究低壓燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出響應(yīng)測(cè)試，為燃料電池電堆實(shí)際車載運(yùn)行與控制提供參考，以充分發(fā)揮電堆輸出性能并提升其耐久性和可靠性。由于負(fù)載變化后，其氣體供應(yīng)參數(shù)也應(yīng)該改變，后期應(yīng)進(jìn)一步分析負(fù)載動(dòng)態(tài)變化后氣體供應(yīng)的控制策略等方面。