燃料电池系统-30℃冷启动防水淹策略研究

吴炎花，林业发

（上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海，201600）

0 引言

燃料电池车用系统是一种氢气氧气通过电化学反应发电，并产生水的系统。车用系统需要满足-30℃环境下启动并运行。由于燃料电池的产物是水，使得燃料电池冷启动成为难题。现有技术方案是通过对冷却水路进行辅助加热，从而使得电堆内部快速升温；还有的技术方案是对燃料电池电堆加装加热装置，对电堆进行快速加热；另外也有通过控制电流、反应物等方式，提高电流，降低燃料电池电压，降低燃料电池效率，快速加热方法。这些技术方案都没有考虑燃料电池低温冷启动过程中，局部冰融化造成的水淹，从而造成的局部反极问题，从而降低了燃料电池的可靠性。

1 燃料电池电堆低温启动过程机理分析

燃料电池单节电池由双极板和膜电极组成，双极板由阳极气体流道、阴极气体流道、以及冷却液流道组成；膜电极又由质子交换膜、催化剂、气体扩散成组成。增湿的氢气进入阳极和增湿的空气进入阴极通过催化剂进行电化学反应产生电和热；

正常温度工作时，生成的水处于液态或气态，阴极催化层会将反应生成水并通过扩散层带到双极板流场中随过量的空气带出去，同时，阴极生成的水会渗透到阳极，阳极也需要一定过量系数的氢气把氢气中的液态水带出去。

在反应过程中，阳极侧的氢气质子以水和质子H3O+进行传输，充分湿润的质子交换膜有利于输出特性的提升，然而过多的水会导致水淹，阻碍气体的传输；催化剂的反应面积就变小。这时燃料电池的活化阻抗、浓差阻抗就提高，燃料电池单节输出性能降低，严重时燃料电池局部出现氢气欠气，在阳极催化剂表面形成较高的阳极电势差，形成阳极反极，此过程具有强电化学腐蚀，破坏燃料电池膜电极甚至双极板[4]。如下图1所示为燃料电池工作原理示意图。

图1 燃料电池工作原理

根据以上分析，在-30℃低温环境中，燃料电池电堆运行在低温状态启动，需要考虑以下问题：

（1）膜电极的催化层表面上一次反应生成的水会冻成冰或者霜，会阻止启动过程的反应气体达到反应界面，局部欠气，并且造成反极；

（2）冷启动过程中，电流加载过快，温度较低，气体扩散层的水饱和湿度低，反应生成的水接近饱和后堵塞流道造成水淹现象，从而阻止气体传输，反应欠气，反应生成的水又迅速结冰，冷启动失败；

（3）冷启动过程中，电流加载过慢，温度较低，产生的热量小于环境散热量，反应生成的水迅速结冰，从而阻止气体传输，反应欠气，冷启动失败；

（4）冰的体积比水的体积大，结冰会造成膜电极表面、流道等膨胀、破裂甚至穿孔；

根据以上问题分析，总结冷启动过程，电堆内部膜电极表面可以分为三个过程：

（1）在燃料电池冷启动过程的初始过程中，会在阴极表面生成水，然后阴极侧的含水量慢慢变高；

（2）阴极侧的水饱和，继续生成的水就会结冰，这时，通过外面冷却水加热和燃料电池的电化学反应会发热提高燃料电池电堆温度，保证燃料电池阴极侧在没有被冰覆盖之前就升温到0℃以上；

（3）在温度提高到0℃以上，阴极全部融化，电池温度会继续上升，燃料电池功率升高给冷却液加热，一直到燃料电池电堆和冷却液升温到工作温度。

图2 燃料电池系统原理示意图

2 燃料电池低温冷启动过程控制策略

燃料电池冷启动控制处于-30℃低温环境下，在上一次关机过程要充分的吹扫，将电堆内部的液态水吹出，保证启动过程催化剂表面没有被冰覆盖；

燃料电池系统除了燃料电池电堆外，还包含空气供应系统、氢气供应系统、热管理系统、电气系统；

（1）空气供应系统由空压机、背压阀和流量传感器、压力传感器组成，控制空压机转速闭环控制空气流量；

（2）氢气供应系统包含氢气比例阀、氢气压力传感器控制氢气压力，氢气系统还包含尾排阀、水汽分离器、循环泵，循环比将堆出的剩余氢气再循环进入堆入，从而控制氢气回流过量系数，水分把堆出的湿氢气的液态水分离出，氢气尾排间歇打开排出水分中液态水；

（3）热管理系统包含水泵控制冷却剂流量，加热器、散热器、电动三通阀以及温度传感器控制冷却剂温度；

（4）电气系统由DC、巡检、电流电压传感器等组成，DC控制电堆的电流输出，巡检检测每一节单体的电压；当出现单体电压过低时，及时切断接触器保护电堆。

冷启动控制策略分为以下三个步骤：

（1）辅助加热开启：在-30℃低温环境下启动，热管理系统打开水泵以低速运行、电动三通阀到小循环，控制加热器到最高功率加热冷却剂；冷却剂通过电堆的冷却剂流道加热电堆本体；

（2）阴极吹扫：电堆出口有电堆温度传感器，检测到冷却器温度大于-15℃后，再控制空气供应系统，打开空压机、被压阀，大气量供气持续10s吹扫电堆阴极侧，将液态水通过空气带走；

（3）阳极吹扫：供应阳极氢气压力，并控制阳极循环泵高转速运行持续运行，电堆阳极催化层表面通过一定过量系数的氢气带走液态水；

（4）燃料电池加载：电堆建立开路电压后开始加载，按2A/S的斜率慢慢加载燃料电池电流到电堆的平均电压到 0.6v;电堆拉载后会产生热功率 P热功率=（（1.48-0.6）/0.6）*P电功率；当0.6v的电功率是40kw,热功率58.6kw;这个过程快速给小循环冷却剂和电堆加热。此过程为了快速加热燃料电池系统达到工作温度，从而满足车用系统的时间响应特性。

（5）热管理系统打开大循环：当电堆温度到50℃，闭环控制打开电动三通阀使得堆出水温一直保持50℃，让大循环的冷却剂缓慢与内循环混流加热，一直到三通阀全开。

（6）持续加热电堆到电堆运行工作温度70℃后，控制散热器风扇打开，闭环控制堆出温度保持在80℃。

3 燃料电池冷启动自适应防水淹控制策略

燃料电池电气系统包含单节巡检模块，用于检测燃料电池的单体电压，当冷启动过程出现局部水淹造成局部电体欠气时，单体的电压就会降低；在如上冷启动过程的步骤4过程中，控制电堆平均电压达到0.6V，燃料电池系统快速加热，燃料电池性能慢慢提升后，DCDC电流可以运行到较大电流，但是燃料电池节数较多，内部的加热过程可能不平均，造成局部性能恢复较差，出现局部水淹，甚至局部反极；如果DCDC电流很小时，燃料电池电堆的冷启动时间就较长，达不到车用要求。

自适应防水淹控制策略是基于平均电体电压V_Cellaveg为控制目标，再把巡检最低单体电压V_Cellmin作为影响因子，自适应控制空气供应量、氢气供应量以及电堆电流。

（1）当最低单体大于0.5V时，PID闭环控制DCDC电流到平均电压0.6v；

其中Xk=V_Cellaveg-0.6是当前目标值和实际值的偏差

空气的目标流量是跟随电流控制的：

氢气流量：

其中λair是空气的过量系数，λH2是氢气的过量系数,I是电堆电流，N电堆节数，F法拉第常数96485.3

（2）平均电压控制在0.6V时，巡检最低单体电压等于0.5V时，控制DCDC电流保持不变；

当出现局部欠气时，巡检最低单体电压降低，当检测到小于0.5V时，控制DCDC快速下降自适应修正因子根据最低单体电压；同时提高空气系统的流量、氢气系统循环泵的转速，快速吹扫局部水淹区域。等性能恢复后，再继续加载到平均电压是0.6V对于的功率点。

空气的目标流量是跟随自适应影响因子增加空气量λair_add=a*Xq ：

氢气的目标流量是跟随自适应影响因子增加空气量λH2_add=b*Xq：

4 燃料电池系统冷启动测试

燃料电池冷启动实验需要将燃料电池系统放在环境仓内-30℃冷冻12小时，环境仓还配置新风系统，当燃料电池冷启动过程模拟低温环境持续给燃料电池系统供应-30℃的冷空气及冷氢气；实验的燃料电池系统电堆是320节，电堆额定功率为80kw；电堆运行温度是70℃。

如图3所示是冷启动过程的单体电压图。

图3 单体巡检电压

如下图4所示，燃料电池冷启动成功是40s，燃料电池冷启动到加热完全需要500s。

图4 -30℃冷启动测试数据

如测试过程，冷启动分为以下几个阶段：

0-20s,外部加热器加热冷却水到-15℃，燃料电池系统没有运行；

20-50s,阴极、阳极吹扫，电压建立，燃料电池不拉载；

50s-370s,缓慢加载过程，整个缓慢加载过程，控制平均电压0.6V;

在375S，电堆电压出现单体现象，启用防水淹控制策略，燃料电池性能快速恢复；

370s-500s,急速加载过程，直到温度加热到工作温度。

5 结论

本文从燃料电池电堆冷启动过程机理分析电堆、膜电极的物理特性，并研究了针对-30℃的低温冷启动的控制策略；还研究了燃料电池冷启动过程水淹防反极处理的控制策略。最后通过实验验证了控制策略的可行性以及可靠性。通过实验证明得到以下结论：（1）燃料电池-30摄氏度的冷启动可以通过辅助加热加自启动加载并行方式实现，满足车用系统在寒冷地区的使用需要。（2）燃料电池系统在低温冷启动过程中出现水淹现象，可以通过自适应控制空气供应、氢气供应、以及暂时降低电堆电流的过程，优化快速处理，迅速将液态水出带出，防止燃料电池单低，从而防止反极。