裴馮來(lái), 梅宇航 , 石 霖, 楊傳亞

(1.上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)認(rèn)證技術(shù)研究中心有限公司，上海 210805；2.上海機(jī)動(dòng)車(chē)檢測(cè)認(rèn)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(xué)反應(yīng)，將化學(xué)能轉(zhuǎn)化成電能，生成物僅有水，不污染環(huán)境，也不會(huì)產(chǎn)生溫室氣體，且具有功率密度高、工作溫度低、響應(yīng)迅速、操作方便、安全可靠等優(yōu)點(diǎn)。[1]由于環(huán)境問(wèn)題的日益惡化，PEMFC的應(yīng)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(wú)特殊處理或輔助工具，其陰極側(cè)反應(yīng)產(chǎn)生的水易結(jié)冰而堵塞催化層、擴(kuò)散層，阻礙反應(yīng)進(jìn)行。同時(shí)水結(jié)冰產(chǎn)生的體積變化會(huì)對(duì)膜電極組件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生破壞，導(dǎo)致性能衰減。因此，燃料電池電堆的低溫冷啟動(dòng)目前處于一個(gè)瓶頸狀態(tài)，這也是制約燃料電池汽車(chē)商業(yè)化發(fā)展的主要原因之一[2]。

現(xiàn)如今國(guó)內(nèi)公司大多采用“停機(jī)吹掃+預(yù)加熱啟動(dòng)”的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)電堆的低溫冷啟動(dòng)，但從實(shí)際運(yùn)行情況而言，這種啟動(dòng)方式的效果并不是很好。

因此，本文主要針對(duì)自開(kāi)發(fā)PEMFC大功率電堆(≥60kW)測(cè)試設(shè)備進(jìn)行冷啟動(dòng)試驗(yàn)?zāi)芰︱?yàn)證。

1 國(guó)內(nèi)外相關(guān)研究

PEMFC低溫冷啟動(dòng)問(wèn)題是近年來(lái)專(zhuān)家和學(xué)者們的研究熱點(diǎn)，也是PEMFC商業(yè)化發(fā)展中亟待解決的關(guān)鍵問(wèn)題。趙鑫[3]等人認(rèn)為，PEMFC在低溫工況下，可能會(huì)因結(jié)冰導(dǎo)致反應(yīng)位點(diǎn)被覆蓋或者反應(yīng)物傳輸通道被堵塞而無(wú)法啟動(dòng)。如果在冰阻礙電化學(xué)反應(yīng)前，溫升速率增大到足以使催化劑層(CL)溫度大于冰熔點(diǎn)，冷啟動(dòng)就能成功。李友才[4]建立了電堆冷啟動(dòng)模型，通過(guò)對(duì)冷卻液加熱、燃燒氫氣、端板加熱等不同加熱方法進(jìn)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(jī)吹掃等多種冷啟動(dòng)措施，闡述了熱管理和冷啟動(dòng)的發(fā)展趨勢(shì)。

為了實(shí)現(xiàn)更好的冷啟動(dòng)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。或者通過(guò)改變某一試驗(yàn)條件進(jìn)行自啟動(dòng)，來(lái)尋找最佳的冷啟動(dòng)參數(shù)。Hwang[6]通過(guò)電鏡掃描發(fā)現(xiàn)，結(jié)冰對(duì)催化劑層造成嚴(yán)重?fù)p傷。Knights[7]等對(duì)吹掃除水的PEMFC進(jìn)行多次F-T循環(huán)，發(fā)現(xiàn)燃料電池結(jié)構(gòu)沒(méi)有遭受明顯破壞；在低電流密度下啟動(dòng)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(méi)有吹掃除水、供熱或其他輔助條件下，電池能自發(fā)啟動(dòng)的最低溫度在-10～-5℃之間，低于-10℃的自啟動(dòng)大多以失敗告終。但在-10℃(或溫度更低)時(shí)改變部分操作條件(膜的初始水含量、啟動(dòng)溫度、電流密度等)，可顯著改善電池的冷啟動(dòng)能力，使電池平穩(wěn)運(yùn)行。詹志剛[8]發(fā)現(xiàn)冷啟動(dòng)操作條件對(duì)電池自啟動(dòng)有較大影響，加大進(jìn)氣流量、降低啟動(dòng)負(fù)載電流密度可以提高電池啟動(dòng)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(dòng)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(dòng)的成功率。

衡量冷啟動(dòng)能力的指標(biāo)有啟動(dòng)最低溫度、啟動(dòng)過(guò)程耗能和啟動(dòng)時(shí)間等。目前豐田在低溫啟動(dòng)指標(biāo)方面排名靠前，2014年就已實(shí)現(xiàn)燃料電池堆-30℃冷啟動(dòng)。俞紅梅[10]等人在-5℃和-10℃啟動(dòng)研究的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步分析了低溫啟動(dòng)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(dòng)電壓為30V、40V時(shí)燃料電池的性能，他們認(rèn)為低壓?jiǎn)?dòng)時(shí)燃料電池產(chǎn)熱速率較快，其溫度變化大，啟動(dòng)性能較好。周怡博[12]則針對(duì)電堆中不同位置以及不同數(shù)量的燃料電池進(jìn)行外部加熱，使電堆充分利用自身的熱量，以減小冷啟動(dòng)過(guò)程中所需的外部加熱量，從而縮短冷啟動(dòng)時(shí)間。

本文主要通過(guò)自開(kāi)發(fā)PEMFC大功率電堆(≥60kW)測(cè)試設(shè)備，改變?cè)囼?yàn)條件進(jìn)行電堆低溫冷啟動(dòng)，探究啟動(dòng)參數(shù)對(duì)電堆啟動(dòng)性能的影響。

2 電堆冷啟動(dòng)測(cè)試工藝

2.1 電堆冷啟動(dòng)測(cè)試

對(duì)于大功率燃料電池電堆而言，低溫啟動(dòng)是一個(gè)難點(diǎn)，傳統(tǒng)冷啟動(dòng)測(cè)試需要將整套設(shè)備及測(cè)試樣件放置在極寒地區(qū)，目標(biāo)溫度具有不可控性，且耗費(fèi)人力物力資源較大；其次測(cè)試成本較高，目前國(guó)內(nèi)滿(mǎn)足大功率電堆冷啟動(dòng)的設(shè)備較少。而對(duì)燃料電池電堆的低溫啟動(dòng)進(jìn)行研究，可以提高國(guó)內(nèi)燃料電池電堆的可靠性與耐久性。因此本文主要對(duì)電堆冷啟動(dòng)測(cè)試工藝及測(cè)試設(shè)備進(jìn)行研究。

本研究的冷啟動(dòng)過(guò)程前，需先對(duì)電堆進(jìn)行初始性能測(cè)試，檢驗(yàn)電堆性能；檢驗(yàn)后再將電堆移至環(huán)境艙內(nèi)，連接電堆與測(cè)試臺(tái)架管路以及冷啟動(dòng)設(shè)備，加注防凍液，連接負(fù)載線(xiàn)與電堆模塊通訊線(xiàn)。其次開(kāi)啟電堆測(cè)試臺(tái)架，設(shè)定安全聯(lián)動(dòng)參數(shù)，包含氫氣進(jìn)出口壓差、空氣進(jìn)出口壓差、陰陽(yáng)極進(jìn)口壓差、單片電壓停機(jī)值與報(bào)警值等。準(zhǔn)備工作完成后，對(duì)電堆三腔進(jìn)行保壓，三腔壓力壓降在15 min內(nèi)小于1.5 kPa則滿(mǎn)足實(shí)驗(yàn)前安全需求，若不符合要求立即用檢漏液尋找漏點(diǎn)并及時(shí)緊固，運(yùn)行吹掃程序，在低電流密度運(yùn)行條件下對(duì)電堆進(jìn)行氫空兩腔吹掃，每次啟動(dòng)吹掃兩次，分為停機(jī)前吹掃與停機(jī)后吹掃，且每次吹掃又分為兩個(gè)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(cè)試完成后，利用小電流法對(duì)電堆總電壓進(jìn)行釋放，消耗電堆內(nèi)部反應(yīng)氣體，使用阻抗測(cè)試儀測(cè)試電堆內(nèi)阻值，若電堆每片內(nèi)阻>0.8Ω，則滿(mǎn)足冷啟動(dòng)測(cè)試要求，然后將電堆進(jìn)行低溫存儲(chǔ)，存儲(chǔ)時(shí)長(zhǎng)不低于12h，存儲(chǔ)結(jié)束后從上位機(jī)端讀取電堆冷卻水進(jìn)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(jī)Test Station 中查看設(shè)定值與實(shí)際值是否一致，避免試驗(yàn)終止。確認(rèn)完成后開(kāi)始冷啟動(dòng)測(cè)試。測(cè)試前需將陰陽(yáng)極氣體切換為干氣，打開(kāi)自動(dòng)化程序，程序運(yùn)行之后觀察程序運(yùn)行步驟，在測(cè)試過(guò)程中程序自行控制進(jìn)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(jìn)氣流量，壓力設(shè)為定值陽(yáng)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(cè)試過(guò)程中，程序通過(guò)負(fù)載采集和高動(dòng)態(tài)運(yùn)算實(shí)時(shí)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(dòng)過(guò)程是否正常，是否滿(mǎn)足冷啟動(dòng)測(cè)試需求。啟動(dòng)完成后打開(kāi)停機(jī)吹掃程序，繼續(xù)進(jìn)行低電流密度運(yùn)行下的氫空兩腔吹掃，至此一輪完整的低溫冷啟動(dòng)結(jié)束，按照以上要求重復(fù)成功啟動(dòng)3次，即該電堆低溫冷啟動(dòng)試驗(yàn)成功。

2.2 冷啟動(dòng)試驗(yàn)流程介紹

冷啟動(dòng)試驗(yàn)包括樣品安裝、保壓、初始性能檢測(cè)、吹掃、低溫存儲(chǔ)、冷啟動(dòng)等多個(gè)步驟，其流程圖如圖1所示。

圖1 冷啟動(dòng)試驗(yàn)流程圖

3 電堆冷啟動(dòng)測(cè)試平臺(tái)

目前燃料電池電堆冷啟動(dòng)測(cè)試主要依靠國(guó)外進(jìn)口設(shè)備，設(shè)備造價(jià)昂貴，成本高。自開(kāi)發(fā)了進(jìn)口電堆測(cè)試臺(tái)和國(guó)產(chǎn)環(huán)境艙匹配的測(cè)試臺(tái)，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(jìn)口電堆測(cè)試臺(tái)上進(jìn)行溫度、壓力的監(jiān)測(cè)，同時(shí)將冷卻系統(tǒng)接入測(cè)試臺(tái)上，使用PID和動(dòng)態(tài)運(yùn)算法對(duì)冷卻路進(jìn)行控制，如圖3。

圖2 冷啟動(dòng)測(cè)試設(shè)備

圖3 冷卻水側(cè)簡(jiǎn)易PID圖

此外，若電堆測(cè)試臺(tái)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(duì)管內(nèi)氣體進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè)及溫度控制，使得排出的氣體經(jīng)過(guò)膜片式背壓閥不會(huì)形成冰晶水導(dǎo)致背壓閥失效或致命性物理?yè)p傷，同時(shí)也保證了臺(tái)架的安全性。

根據(jù)2.1電堆冷啟動(dòng)測(cè)試的方法，使用自開(kāi)發(fā)的電堆冷啟動(dòng)設(shè)備進(jìn)行電堆冷啟動(dòng)試驗(yàn)。進(jìn)行一輪完整的冷啟動(dòng)試驗(yàn)后，可基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)對(duì)電堆的冷啟動(dòng)性能進(jìn)行多角度分析。

4 測(cè)試平臺(tái)影響因素分析

電堆在冷啟動(dòng)過(guò)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(diǎn)時(shí)由于氫氣、空進(jìn)氣流量需求量較小，且氣體管路長(zhǎng)度較長(zhǎng)，所以氣體供應(yīng)至各單片存在遲滯，約為0.5～1 s的時(shí)間滯后，不會(huì)導(dǎo)致電堆內(nèi)部欠氣；過(guò)了低電流密度點(diǎn)后，氣體的遲滯效應(yīng)就會(huì)大大降低，如圖4所示。在拉載前，根據(jù)設(shè)定值與實(shí)際值的差值會(huì)進(jìn)行判斷進(jìn)氣流量是否達(dá)到所需要求，進(jìn)氣流量達(dá)標(biāo)后會(huì)保持電堆穩(wěn)定運(yùn)行10～20 s，檢測(cè)每片電壓值是否達(dá)標(biāo)，達(dá)標(biāo)后才可開(kāi)始拉載。整個(gè)判斷過(guò)程均由自動(dòng)化程序進(jìn)行，非緊急情況人為不干預(yù)。

圖4 氣體遲滯時(shí)單片電壓情況

4.2 溫 度

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)臺(tái)架布置情況，增加了氫氣側(cè)、空氣側(cè)管路長(zhǎng)度，可能造成溫度采集的不一致性，故需增加多點(diǎn)位溫度傳感器，并將其中一個(gè)或多個(gè)溫度傳感器中設(shè)置為控制閉環(huán)點(diǎn)，可使溫度控制更加準(zhǔn)確。增加傳感器后，發(fā)現(xiàn)在低電流密度點(diǎn)時(shí)，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(tái)架設(shè)計(jì)，在進(jìn)入背壓閥前的第一個(gè)溫度傳感器采集出的排氣溫度均高于5℃，如圖5，滿(mǎn)足原有的設(shè)計(jì)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(zhǎng)度的增加，導(dǎo)致壓力控制存在偏移性?，F(xiàn)有臺(tái)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(jìn)行，通過(guò)增加高精度壓力傳感器數(shù)量，形成多點(diǎn)控制、PID調(diào)節(jié)加高動(dòng)態(tài)運(yùn)算控制同步進(jìn)行，對(duì)高精度背壓閥形成高度閉環(huán)控制。

在冷啟動(dòng)測(cè)試過(guò)程中，在低進(jìn)氣流量下進(jìn)行較高壓力控制的時(shí)候會(huì)存在壓力控制遲滯，遲滯時(shí)間約為1～3 s，對(duì)于壓力控制影響較小。在較高電流密度下增加進(jìn)氣流量或降低進(jìn)氣流量時(shí)，壓力控制均在可控范圍內(nèi)，動(dòng)態(tài)效果能夠滿(mǎn)足快速變化，如圖6所示。

圖6 低進(jìn)氣流量壓力控制曲線(xiàn)

4.4 測(cè)試全過(guò)程保護(hù)

在冷啟動(dòng)測(cè)試過(guò)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(jìn)出口壓差、空氣側(cè)進(jìn)出口壓差、冷卻水側(cè)進(jìn)出口壓差)、溫度保護(hù)均由進(jìn)口電堆測(cè)試臺(tái)架進(jìn)行控制，如圖7所示，全過(guò)程采用自動(dòng)化程序進(jìn)行控制，以減少人為操作過(guò)程的不確定因素。

圖7 測(cè)試過(guò)程保護(hù)數(shù)據(jù)參數(shù)

5 結(jié) 論

介紹并分析了國(guó)內(nèi)外關(guān)于大功率電堆冷啟動(dòng)測(cè)試的相關(guān)研究?jī)?nèi)容，并結(jié)合部分研究成果，從成本角度出發(fā)，采用進(jìn)口電堆測(cè)試臺(tái)和國(guó)產(chǎn)環(huán)境艙的匹配方案，設(shè)計(jì)了一套艙內(nèi)冷卻系統(tǒng)，搭建了大功率PEMFC電堆冷啟動(dòng)測(cè)試平臺(tái)，并建立相應(yīng)的測(cè)試工藝流程。并成功運(yùn)用在大功率PEMFC電堆的冷啟動(dòng)測(cè)試中，大大降低了成本。

此外發(fā)現(xiàn)本次冷啟動(dòng)試驗(yàn)中存在的一些典型問(wèn)題：低電流密度時(shí)進(jìn)氣流量均勻布滿(mǎn)流道時(shí)間久，堆內(nèi)溫度與測(cè)試管道溫度傳感器距離過(guò)長(zhǎng)有誤差，進(jìn)氣流量不足時(shí)壓力背壓閥控制壓力緩慢等因素會(huì)影響測(cè)試結(jié)果。

因此，自開(kāi)發(fā)PEMFC大功率電堆冷啟動(dòng)測(cè)試工藝與測(cè)試平臺(tái)還有許多值得改進(jìn)的地方，在搭建測(cè)試平臺(tái)時(shí)，還需綜合考慮測(cè)試臺(tái)與環(huán)境艙的匹配性，電堆自身冷啟動(dòng)模塊的集成度與動(dòng)態(tài)響應(yīng)，全面提高冷啟動(dòng)測(cè)試的成功率。