趙 坤，馬明輝，楊子榮，郝 冬

（中國(guó)汽車技術(shù)研究中心有限公司，天津 300300）

0 引言

質(zhì)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(diǎn)，目前已在電動(dòng)汽車領(lǐng)域得到了廣泛發(fā)展。然而，在實(shí)際運(yùn)行過程中，PEMFC的動(dòng)態(tài)加載響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況下的性能均會(huì)對(duì)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(huì)造成燃料電池的壽命大幅減少[1]。因此，通過試驗(yàn)研究車載PEMFC的動(dòng)態(tài)響應(yīng)及穩(wěn)態(tài)性能對(duì)其壽命與可靠性有著重要的意義。

PEMFC的材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)對(duì)其性能有很大影響，適當(dāng)優(yōu)化可提升其性能。石磊[2]建立了8通道復(fù)合蛇形流道PEMFC模型，通過仿真分析發(fā)現(xiàn)，氣體擴(kuò)散層（GDL）孔隙度對(duì)水分、電流密度和氧氣分布的影響最大，其次是進(jìn)氣速度和溫度。張萍俊[3]選用不同的材料作為陽極氣體擴(kuò)散層，并進(jìn)行了極化曲線和穩(wěn)定性測(cè)試，以及交流阻抗測(cè)試和物理表征，試驗(yàn)結(jié)果表明，鈦氈更適合作為質(zhì)子交換膜水電解池的陽極擴(kuò)散層。車載PEMFC的水熱管理、空氣與氫氣供給等子系統(tǒng)對(duì)其性能也有很大的影響。樊磊[4]研究了進(jìn)氣相對(duì)濕度對(duì)不同工況下PEMFC的影響，并提出了進(jìn)氣加濕效率模型，研究結(jié)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(xué)計(jì)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(shè)計(jì)了一個(gè)基于未知干擾觀測(cè)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(yù)測(cè)控制策略，通過仿真驗(yàn)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(shè)定值。

綜上所述，在車載PEMFC運(yùn)行過程中，電池自身結(jié)構(gòu)及材料對(duì)內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)與傳質(zhì)傳熱過程均有一定的影響，同時(shí)PEMFC運(yùn)行時(shí)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(guān)。目前，有關(guān)車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)相關(guān)性能試驗(yàn)的研究較少，因此，本文參考《GB/T24554—2009燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)性能試驗(yàn)方法》[8]對(duì)60kW車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)加載與穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況的試驗(yàn)測(cè)試，以期為燃料電池相關(guān)性能試驗(yàn)研究提供參考。

1 性能試驗(yàn)

1.1 車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)

圖1為車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(jī)、中冷器、膜加濕器和相應(yīng)閥組構(gòu)成。其中，空壓機(jī)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(jī)出口空氣冷卻至適宜溫度。膜加濕器調(diào)整入電堆空氣至適宜濕度，維持質(zhì)子交換膜的最佳工作狀態(tài)。背壓閥用于調(diào)節(jié)管路及堆內(nèi)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(yùn)行時(shí)不工作。

氫氣子系統(tǒng)主要包括氫進(jìn)電磁閥、供氫回氫總成、氣水分離器及其余閥組構(gòu)成。氫進(jìn)電磁閥主要負(fù)責(zé)氫氣供應(yīng)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(fù)責(zé)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)管路氫氣壓力，引射器通過內(nèi)部結(jié)構(gòu)將出口的剩余氫氣引導(dǎo)回氫氣入口管路，泄壓閥在系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)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(nèi)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(bǔ)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(shí)時(shí)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的加熱或冷卻強(qiáng)度。電加熱器用于提高水溫，由于本試驗(yàn)未涉及發(fā)動(dòng)機(jī)的冷啟動(dòng)性能，因此電加熱器始于停機(jī)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(cè)系統(tǒng)（CVM）等部件。FCU負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)控制各子系統(tǒng)以滿足工況需求，在試驗(yàn)中實(shí)時(shí)與上位機(jī)通訊并采集數(shù)據(jù)。在電堆電壓升高后，DC/DC為空壓機(jī)等輔助部件以及外部負(fù)載供能。CVM系統(tǒng)集成于電堆中，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)各單體電池的電壓狀態(tài)。

燃料電池測(cè)試平臺(tái)主要包括低壓電箱、電子負(fù)載、氫氣供給端口以及循環(huán)冷機(jī)。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(fù)載在發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)時(shí)替代車載高壓電池包為空壓機(jī)等部件提供高壓電源，氫氣供給端口通過多級(jí)減壓裝置為發(fā)動(dòng)機(jī)提供恒壓氫氣（純度為99.99%）。循環(huán)冷機(jī)用于替代整車?yán)鋮s系統(tǒng)，對(duì)空壓機(jī)控制器、DC/DC等系統(tǒng)部件進(jìn)行恒速冷卻。此外，利用自主開發(fā)的上位機(jī)監(jiān)測(cè)軟件可通過FCU總線信息對(duì)車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)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(yàn)工況

在試驗(yàn)過程中，氫氣氣源壓力設(shè)為1.5MPa，以保證氫氣子系統(tǒng)的壓力充足。循環(huán)冷機(jī)設(shè)定溫度為25℃，流量為15L/min，以保證部件穩(wěn)定運(yùn)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(nèi)反應(yīng)的正常進(jìn)行?？刂齐姸褱囟葹?0～80℃，冷卻液進(jìn)出口溫差保持在15℃以內(nèi)，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄相應(yīng)的輸出參數(shù)。通過上位機(jī)調(diào)整需求凈功率，以按照試驗(yàn)流程完成全工況測(cè)試。試驗(yàn)設(shè)備和PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)物如圖2所示。

圖2 試驗(yàn)設(shè)備及PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)Fig.2 Test equipment and PEMFC engine

2 試驗(yàn)流程及數(shù)據(jù)分析

車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)首先在怠速工況下運(yùn)行20min，待性能穩(wěn)定后開始進(jìn)行測(cè)試，在發(fā)動(dòng)機(jī)全功率范圍內(nèi)選取11個(gè)工作點(diǎn)（10，15，…，60 kW），每個(gè)工作點(diǎn)至少運(yùn)行1min。系統(tǒng)電壓及功率隨上位機(jī)給定的目標(biāo)凈功率的變化而變化。系統(tǒng)動(dòng)態(tài)加載和穩(wěn)態(tài)運(yùn)行的目標(biāo)凈功率以及電堆實(shí)際輸出總功率如圖3所示。由圖3可知，隨著目標(biāo)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(dāng)目標(biāo)凈功率增大時(shí)，空壓機(jī)、散熱器等輔助部件的功耗也會(huì)相應(yīng)增加，對(duì)于車載PEMFC而言，應(yīng)開發(fā)相應(yīng)的控制策略，在滿足目標(biāo)凈功率的同時(shí)盡量減小其寄生功率損耗，以提高系統(tǒng)效率。

圖3 試驗(yàn)工況下的目標(biāo)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(jié)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(biāo)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(shí)，輸出電壓發(fā)生了短暫的下沖和上升現(xiàn)象。這是因?yàn)樵谒矐B(tài)工況下，電化學(xué)反應(yīng)速度會(huì)突然增大，使得單位時(shí)間內(nèi)通過質(zhì)子交換膜的氫離子增多，在電滲拖拽的作用下帶走了質(zhì)子交換膜中的一部分水，使質(zhì)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(nèi)部的濕度則會(huì)瞬間增大，進(jìn)而發(fā)生輕度的水淹現(xiàn)象而阻礙空氣供給；另外，反應(yīng)速率提高的瞬間也會(huì)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(shí)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(huì)重新擴(kuò)散回陽極，且空壓機(jī)轉(zhuǎn)速上升至目標(biāo)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(gè)階躍工況。因此，需要優(yōu)化PEMFC系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)品質(zhì)以應(yīng)對(duì)車輛行駛時(shí)的復(fù)雜工況。試驗(yàn)結(jié)果表明，該發(fā)動(dòng)機(jī)在各個(gè)瞬態(tài)階躍工況下表現(xiàn)良好，能夠快速收斂至目標(biāo)值，而穩(wěn)態(tài)工況下也不會(huì)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)現(xiàn)象，滿足了實(shí)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(jié)合圖3，5可以看出：?jiǎn)纹姵氐淖畹碗妷号c平均電壓的變化趨勢(shì)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(dòng)愈加明顯；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行至1400s附近時(shí)，最低電壓與平均電壓的偏差達(dá)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(jìn)而影響系統(tǒng)的壽命及穩(wěn)定性，因此，在實(shí)際運(yùn)行中應(yīng)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(yàn)中，當(dāng)PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)以最大功率運(yùn)行時(shí)，單片電池電壓的最大偏差能夠控制在7%左右，對(duì)系統(tǒng)的影響并不大，滿足實(shí)際工況的使用需求。電堆效率 ηst的計(jì)算式為

式中：E為25℃，標(biāo)準(zhǔn)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(jì)算結(jié)果如圖6所示。

圖6 電堆效率Fig.6 Stack efficiency

結(jié)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(dá)67%左右），隨著功率需求的升高，電堆效率呈下降趨勢(shì)。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(dǎo)電子轉(zhuǎn)移并在陽極和陰極中斷裂并形成化學(xué)鍵，化學(xué)反應(yīng)會(huì)將電子轉(zhuǎn)移到電極上或從電極上轉(zhuǎn)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(zhì)子交換膜存在對(duì)質(zhì)子轉(zhuǎn)移的電阻以及電極和集電極板對(duì)電子轉(zhuǎn)移的電阻而造成的壓降；③當(dāng)功率增大到一定程度時(shí)，電堆發(fā)生濃差極化，此時(shí)反應(yīng)物消耗急劇增加導(dǎo)致供應(yīng)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(dòng)機(jī)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(zhì)惡化。

2.3 氣體供給壓力分析

氫氣與空氣的進(jìn)堆壓力如圖7所示。從圖7可以看出，氫氣與空氣的進(jìn)堆壓力變化趨勢(shì)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?yàn)闅潆x子需要從陽極穿過質(zhì)子交換膜至陰極以完成電化學(xué)反應(yīng)，維持一定的壓差可使氫離子能夠更快地穿過質(zhì)子交換膜以完成反應(yīng)。

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

氫氣與空氣的進(jìn)堆壓差如圖8所示。從圖8可以看出，兩者在全工況范圍內(nèi)的進(jìn)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(jī)械強(qiáng)度，滿足了電堆正常運(yùn)行的工況條件。結(jié)合圖3，8可以看出，在功率需求變化時(shí)，氫氣與空氣的進(jìn)堆壓力均存在一定的超調(diào)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(jìn)堆壓力的波動(dòng)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(nèi)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(yīng)的耦合控制策略以實(shí)現(xiàn)對(duì)陽極壓力與陰極壓力的協(xié)同控制。

圖8 氫氣與空氣的進(jìn)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(jìn)出堆溫度如圖9所示。結(jié)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(shì)，而進(jìn)堆溫度經(jīng)冷卻后維持在60～65℃；當(dāng)功率需求階躍變化時(shí)，冷卻水進(jìn)出堆溫度存在一定程度的波動(dòng)。這是因?yàn)殡S著功率需求的不斷增大，電堆內(nèi)部反應(yīng)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(nèi)，以滿足電堆的安全高效運(yùn)行。在1400～1600 s階段，冷卻水的進(jìn)出堆溫度出現(xiàn)了一定的波動(dòng)現(xiàn)象，這是因?yàn)樵诠苈穬?nèi)形成湍流波動(dòng)時(shí)，溫度傳感器的測(cè)溫結(jié)果產(chǎn)生了一定的震蕩。

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

冷卻水進(jìn)出電堆的溫差如圖10所示。結(jié)合圖3，10可以看出，隨著功率需求的增大，冷卻水進(jìn)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(nèi)，以滿足試驗(yàn)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(duì)于質(zhì)子交換膜的負(fù)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(diào)控制熱管理系統(tǒng)的循環(huán)水泵與冷卻風(fēng)扇轉(zhuǎn)速來維持理想的電堆溫度與冷卻水進(jìn)出堆溫差，為電堆提供穩(wěn)定高效的運(yùn)行條件。

圖10 冷卻水進(jìn)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(yàn)過程中，可根據(jù)臺(tái)架記錄數(shù)據(jù)獲取PEMFC系統(tǒng)的瞬時(shí)氫氣供給量和瞬時(shí)輸出功率。本文利用PEMFC系統(tǒng)單位質(zhì)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(jié)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(shì)（從12kW·h/kg附近平緩增長(zhǎng)至27kW·h/kg左右）。初始狀態(tài)時(shí)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(fèi)了一部分氫氣，可通過優(yōu)化排水閥的開啟頻率與時(shí)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(yùn)行在功率需求較低的工況下，而功率需求較高的工況會(huì)惡化電堆效率以及單片電壓的均衡性品質(zhì)，所以PEMFC系統(tǒng)也不宜運(yùn)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(jí)輔助能源，通過合理的能量管理策略使得PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)始終工作在最優(yōu)功率點(diǎn)附近，以此在保證輸出性能的同時(shí)提高PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)的經(jīng)濟(jì)性。

3 結(jié)論

本文基于燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)測(cè)試平臺(tái)對(duì)60kW級(jí)車載PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行了動(dòng)態(tài)加載及穩(wěn)態(tài)運(yùn)行工況試驗(yàn)探究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)的輸出特性和關(guān)鍵參數(shù)，得到如下結(jié)論。

①隨著輸入的目標(biāo)凈功率階躍上升（最大值為60kW），PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)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(yīng)良好，且二者的壓差始終維持在適宜范圍內(nèi) （0.006～0.02 MPa）。熱管理系統(tǒng)的冷卻路進(jìn)出口水溫適宜，且溫差維持在12℃以內(nèi)，滿足實(shí)際工況要求。

③系統(tǒng)的氫氣利用率與功率需求呈正相關(guān)，結(jié)合對(duì)于電堆效率及單電壓均衡性的分析可知，實(shí)際工程應(yīng)用中應(yīng)使PEMFC發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)盡量運(yùn)行于適宜的功率區(qū)間。