车用大功率燃料电池低温冷启动分析

赵金刚 张彦伟 王国增 朱锡庆 杭磊

(海马汽车有限公司)

质子交换膜燃料电池（PEMFC）相比传统内燃机，拥有其特有优势[1-3]，PEMFC的高效率、高比功率、零排放及响应快速等特性使其成为未来汽车领域最有潜力的动力源[4-5]。车用PEMFC在商业化进程中，冷启动困难或启动时间过长是主要制约因素之一[6-8]。目前，国内外车型对燃料电池发动机冷启动能力进行了大量实验，国外相关车型已量产且技术相对成熟[9-10]，国内大多从实际运行情况来看，在低温启动方面的技术称不上很好，如表1所示。从表1可以看出，国内部分车型没有明确启动时间，一方面相关标准的暂缺，另一方面可靠性方面有待市场验证。

表1 国内外对标车型冷启动情况

文章拟开发的大功率燃料电池乘用车项目，截止目前，国内还没有关于120 kW大功率燃料电池乘用车的相关文献，甚至鲜有报道。文章结合实际情况及拟开发项目目标需求，通过对国内某型号120 kW燃料电池进行低温冷启动初步匹配并摸底分析，初步得出在理想情况下整车在-30℃下低温启动时间，其分析结果为后期拟开发车型目标的设定提供了理论依据，同时也曝露出冷启动短板，若要与对标车型相当，必须选择更加先进的燃料电池电堆及控制策略。

1 拟开发车型参数设定

根据实际情况及预研项目需求，拟开发车型目标初步设定如表2所示。

表2 整车技术参数

文章拟选择的120 kW燃料电池电堆，具体技术参数如表3所示。

表3 某型号120 kW燃料电池技术参数

2 冷启动热平衡分析

2.1 燃料电池冷启动分析假设

PEM燃料电池一般由膜电极、金属双极板、集流板、绝缘板和端板等组件组成。整个电堆系统由120 kW电堆、空气供给系统、氢气供给系统、冷却系统、高/低压系统等组成。建立的电堆及其系统冷启动模型，做出以下假设：1）电堆停机后内部水被吹扫干，即启动前内部不存在初始水；2）电堆材料物性参数不随温度变化而变化；3）忽略电堆组件向外界环境的散热；4）忽略冷却水通过时的热损失；5）镍氢电池在最低工作环境温度-30℃下，按照输出功率6 kW时可持续放电5 s，每间隔时间10 s，假设能够放电n次；6）按照提供的电堆规范，电堆及小循环水加热至0℃时即认为电堆启动成功[14]。

2.2 燃料电池冷启动原理图

燃料电池冷启动系统单独设计一回路，小循环水体积约为1.6 L，串联一个5.5 kW PTC加热器，如图1所示，该系统由电堆、PTC、低压电子风扇和电控三通阀等组成。

图1 电堆冷启动加热原理图

3 冷启动时间计算

基于上述冷启动热平衡分析假设及控制策略，结合电堆结构、部分物理常数和材料物性参数[11]，对120 kW燃料电池电堆从-30℃加热至0℃冷启动阶段所需热量进行评估，计算得到-30℃冷启动总时间为769.7 s即约13 min。

表4 -30°C至0°C电堆冷启动阶段热量及启动时间计算

4 结论

综上所述，预研项目首次采用国内先进的某型号120 kW大功率燃料电池电堆，根据开发目标需求，通过对燃料电池电堆低温启动热平衡分析，计算得到在理想情况下从-30℃低温启动所需时间约13 min，而实际现实中所需启动时间将会更长。文章分析结果将为拟开发车型目标的设定提供参考。

因文中采用的大功率电堆本身并不具备自加热功能，再加上采用外部加热控制策略，导致所需低温启动时间远远超过对标车型如丰田MIRAI、本田CLARITY、现代NEXO的冷启动时间。若要与对标车型相当，必须选择更加先进的燃料电池电堆和冷启动控制策略，因此行业内开发车规级先进的大功率且具备自加热功能的燃料电池已迫在眉睫。