车用PEMFC电堆低温起动试验研究*

李友才,许思传,杨志刚

(1.河南工业大学机电工程学院，郑州 450007；2.同济大学汽车学院，上海 201804)

前言

质子交换膜燃料电池(PEMFC)工作温度低，适宜于较频繁起动的场合，并具有工作效率高、功率密度大、环境友好和续驶里程长等优点，因此被认为是车用燃料电池的最佳选择，有望成为取代目前汽车动力的动力源之一[1]。但在低于0℃的环境下，由于燃料电池电堆停机后其内有残存的水存在，这些残存的水很快结成冰，从而造成电堆的阴阳极流道阻塞，并且水结成冰其体积增大约11%，从而对燃料电池电堆的寿命和其低温起动特性造成严重的影响。因此对燃料电池电堆低温起动的研究有重要意义[2-3]。

1 车用燃料电池电堆低温起动平台设计

依据燃料电池电堆(FCS)低温起动和停机控制策略[4]，并考虑燃料电池汽车前舱空间和能量需求等因素的限制，设计车用燃料电池电堆低温起动平台，如图1所示。用厚度为20mm的保温材料将燃料电池电堆及其空气供给系统、加湿器和冷却液箱密封。由燃料电池电堆控制器监测环境和电堆的温度，当电堆的温度(电堆最冷电池阴极催化层的温度)达到0℃时，FCS控制器向动力电池发出指令，对冷却液箱内的电加热器供电以对其内的冷却液加热，且旁通阀打开，水泵冷却液在电堆的小循环内循环加热电堆，直到电堆的温度达到所设定的温度值。同时，FCS控制器监测氢瓶内的氢气压力或液态氢液面的高度。

电堆经过数次加热循环之后，当动力电池的容量等于或低于设定值SOCref，其剩余的容量不能完成下一次对电堆的加热时，立即向FCS控制器发出指令，FCS控制器计算并判断高压氢瓶内的氢气压力或液态氢液面的高度是否满足燃料电池电堆低负荷工作的要求。若能满足，FCS控制器即刻向燃料电池电堆发送指令使其在小负荷工况下工作，对电堆自身和冷却液进行加热，并向动力电池进行充电。当电堆的温度达到设定的温度，且动力电池已经充满时，FCS控制器发出指令，按低温环境下的停机程序关闭FCS，保温箱内的冷却液进入保温状态。经过一段时间，当电堆温度再次达到0℃时，FCS控制器发出指令，动力电池向冷却液箱内的电加热器供电，对其内的液体进行加热[4]。

假设长时间不起动FCS，动力电池的容量和氢瓶内的氢气量都不能满足低温环境下长时间的多次保温和起动加热。在动力电池充满电的条件下，当FCS控制器接到氢瓶内的氢气压力或液态氢液面的高度低于所规定值的指令时，在最后一次暖机后关闭FCS。对电堆的阴极流道吹扫88s，使电堆内部残存的去离子水最少[5-6]，同时，向用户发出燃料不足和及时添加燃料的信号。

夏季环境下温度升高，通过控制器使FCS低温起动模块处于休眠模式，同时，将电堆和管路外表面的保温材料拆除，确保高温环境下燃料电池电堆系统工作时的散热要求。

2 燃料电池发动机低温起动试验

2.1 保温

分别用20mm厚的软橡塑泡沫、聚苯乙烯和真空绝缘板(VIP)保温材料密封电堆，并依次将密封的电堆放入-10℃环境舱内进行试验研究。将电堆加热到80℃，并排空电堆内部的冷却液，从80℃开始保温。采用软橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP保温材料时，电堆从80℃降到了0℃所需要的时间分别为23.4、33和45h，各自电堆平均温度Tavg随时间的降温曲线如图2所示。电堆内部的热量首先通过自然对流的方式传到薄钢板表面，在薄钢板内部进行传导传热，然后传到保温材料的内表面，在保温材料内部进行传导传热，最后保温材料的外表面在环境舱内通过强制对流的方式进行换热。同时，电堆内部电池通过薄钢板和保温材料向环境舱内进行辐射换热[7]。

软橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP的导热系数分别为0.043、0.033和0.004W/m·K。VIP的导热系数最小。因此，用VIP密封电堆可使电堆从80℃降到0℃所需要的时间最长，保温效果最好。

2.2 FCS低温起动工况加载

设定环境温度为-10℃，燃料电池电堆在上次停机后，对电堆阴极流道进行88s吹扫，且用保温材料密封电堆。当电堆中最冷的电池阴极催化层的温度达到0℃时，起动燃料电池电堆加载，使燃料电池电堆进入怠速暖机过程，如图3所示。考虑暖机过程电堆自身的温度较低，加载的功率呈阶梯增加，并通过FCS控制器实时采集燃料电池电堆的动态运行参数。FCS试验布置示意图如图4所示，试验设备如表1所示。

表1 FCS试验设备

负载电压和电堆各模块输出电压分别如图5和图6所示。当电堆加载的功率变大时，其输出电压立即下降，这是由质子交换膜燃料电池的输出特性所决定的。电堆加载的功率越高，其输出电流越高，而输出电压则越低。

由图可见：在0～1 144s时间内，虽然负载电压和电堆各模块的输出电压总的走势是下降的，但在每个等功率加载的短暂阶段，它们却逐渐升高，因为每个阶段加载的功率不变，而随着电堆单电池内部电化学反应的进行，不断有不可逆热生成，不断对电堆自身进行加热，使电堆的温度逐渐升高；而单电池内部极化损失变小，最终使负载电压和电堆各模块的的输出电压逐渐升高。

燃料电池电堆系统辅助功率随时间的变化曲线如图7所示。由图可见：随着加载功率的增大，单位时间内需要通过风机/压缩机向电堆阴极入口供给的新鲜空气增多，要求风机/压缩机的转速或压缩比升高，致使其所消耗的辅助功率增大；而当电堆自身温度达到所设定温度时，水泵和风扇开始运转，也使燃料电池电堆系统的辅助功率进一步增大。

燃料电池电堆起动后，随着空气和氢气通过燃料供给系统不断送入电堆的阴阳极入口，电堆内部的电化学反应持续进行。由于电堆自身存在着可逆与不可逆损失，这些损失以内热源的方式不断对电堆自身进行加热，从而使电堆的温度逐渐升高，图8为电堆平均温度随时间的变化曲线图。由图可见：由于电堆在工作过程中短时间内产生的热量较多，电堆外表面与环境的换热对电堆自身温度影响较小，所以随着电堆加载功率的增大，电堆自身的温度逐渐升高；当电堆冷却液出口温度达到60℃时，FCS控制器发出指令，使电磁阀旁通，使热的冷却液进入散热器，同时风扇开始旋转，对燃料电池电堆进行冷却，电堆自身的温度开始下降，当冷却液出口温度降到50℃时，风扇停止运转，此后风扇受FCS控制器的控制，定时开启和关闭，从而使燃料电池电堆的温度稳定在50℃～60℃范围内，保持电堆工作特性最优，使FCS运行状态良好。

随着电堆加载功率增加，通过FCS控制器使压缩机转速提高，电堆阴极入口的压力升高，向电堆阴极出口供给更多的新鲜空气以满足负载更高功率的需求；同时，供给电堆阳极入口氢气的压力也相应发生变化，电堆加载功率变大时，电堆阳极入口的氢气压力略微下降，主要因为送入阳极入口的氢气量多于电堆所需要的氢气量，没有发生化学反应的氢气通过氢气循环泵被再次循环送入到电堆的阳极入口。电堆阳极和阴极入口压力随时间的变化曲线如图9所示。随着加载功率的变大，电堆单位时间内消耗的氢气量增加，导致氢气的压力有所下降。当电堆加载的功率变小时，单位时间内消耗的氢气量变少，从而使电堆阳极入口氢气的压力阶跃上升，单位时间内向电堆阴阳极流道内供给的空气和氢气就增多，会使电堆阴阳极流道内氧气和氢气的浓度增高。电离出的氢离子增加，电堆阴极催化层发生电化学反应生成水增多，从而使质子交换膜内的迁移水量加大。

3 结论

(1) 考虑燃料电池汽车前舱空间和能量需求等因素的限制，设计燃料电池电堆低温起动的仿真平台，保证燃料电池电堆在低温环境下能够顺利起动。

(2) 用20mm厚的软橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP密封电堆时，电堆从80℃降到了0℃所需要的时间分别为23.4、33和45h。在相同的条件下，用VIP密封电堆可使电堆的保温时间最长、保温效果最好。

(3) 车用燃料电池电堆在0℃起动并逐渐加载功率是一个相当复杂的过程。在暖机过程中，电堆自身的温度、输出电压、阴阳极入口压力和质子交换膜内迁移水量瞬态变化。当电堆冷却液出口温度达到60℃时，冷却液进入散热器，风扇开始旋转，对电堆进行冷却，从而保持电堆的工作性能最佳。

[1] 张传升,周苏,陈凤翔.燃料电池发动机自适应控制模型集的确定[J].汽车工程,2012,34(5):385-388.

[2] 李友才,许思传,杨志刚,等.PEMFC不同冷起动方法的仿真研究[J].电源技术,2009,33(6):479-481.

[3] 李友才,许思传,杨志刚,等.PEMFC冷起动仿真模型发展现状及进展[J].电源技术,2009,33(4):316-319.

[4] Li Youcai,Xu Sichuan,Yang Zhigang.Control Strategy and Thermal Management System Research of Fuel Cell Engine in Subfreezing[C].2011 2nd International Conference on Mechanic Automation and Control Engineering,2011,7:4830-4833.

[5] Li Youcai,Xu Sichuan,Yang Zhigang,et al.Experiment and Simulation Study on cold Start of Automotive PEMFC[C].2011 International Conference on Electric Information and Control Engineering,2011,4:2166-2170.

[6] Sundaresan M,Moore R M.Polymer Electrolyte Fuel Cell Stack Thermal Model to Evaluate Subfreezing Startup[J].J Power Sources,2005,145:534-545.

[7] 李友才,许思传,杨志刚,等.车用PEMFC保温试验研究[J].电源技术,2010,34(4):324-327.