车用PEMFC电堆典型道路工况低温起动试验研究

李友才

(河南工业大学机电工程学院，河南郑州 450001)

车用PEMFC 因其效率高、工作温度低和零排放等优点而成为电动汽车的理想动力源，但PEMFC 商业化应用仍然受到低温起动、耐久性和可靠性等技术瓶颈的限制。当环境温度低于0 ℃，PEMFC 内残存的水将会结冰，导致燃料电池无法起动或运行时间很短就被迫停机，而反复起动对燃料电池内部结构造成破坏，对PEMFC 可靠性和使用寿命造成严重的影响[1-2]。国内外学者[3-10]在PEMFC 低温起动的融冰/结冰、内部与外部影响因素和建模等方面进行很多研究，但以上研究均侧重于单电池或几片电池低温起动与运行研究。很少研究有几十片甚至几百片单电池组成PEMFC 电堆，因此有必要对车用PEMFC 电堆进行低温起动试验研究。本文根据制定的典型道路工况对6 kW 燃料电池电堆进行功率加载、实时监测和动态运行数据采集，以此来研究在低温环境下PEMFC 电堆的运行特性。

1 试验方案

(1)试验设备

额定功率为6 kW 的PEMFC 电堆1 台，测量电堆温度的温度传感器4 个，氢气流量计1 个，测量空气供给系统、氢气供给系统和冷却系统的压力传感器3 个，稳压电源3 台，冰点为―35 ℃的防冻液10 L，防冻液软管3 m，信号采集线9 m，型号为WCL488-400-1000-12000 的电子负载和可编程直流电源各1 台，电加热器2 个，定做的系统安装支架1 个。PEMFC电堆低温运行试验布置示意图如图1 所示[1,3]。

图1 PEMFC电堆试验布置示意图

(2)试验步骤

(a)按照试验要求，在PEMFC 电堆阴极进口安装温度、压力和湿度传感器，在其出口安装温度传感器。在电堆阳极进口安装压力传感器，在其出口安装温度传感器，在电堆冷却液的进出口安装温度和压力传感器，如图1 所示。

(b)将各个传感器安装在待测管路上，并确保电堆阴阳极进出口及其管路连接密封良好，确保电堆冷却系统及其管路连接密封良好，无漏气、无漏液现象。

(c) 将PEMFC 电堆系统、电子负载及供氢系统放入环境仓内，依次连接好其系统的线路和管路。将PEMFC 电堆系统的控制器、电子负载与电脑采集系统连接好，并通过稳压电源给压缩机、风扇和冷却水泵供电。

(d)按照制定的典型道路试验工况要求，在低温环境下加载运行PEMFC 电堆系统，采集电堆阴阳极进出口的温度、压力和湿度数据，记录电堆的输出电压、功率、辅助功率和电堆冷却液进出口的温度和压力等数据。

设定环境舱的温度为―10 ℃，在热机状态下关闭PEMFC 电堆，电堆工作温度为60 ℃。此时对PEMFC 电堆阴极流道吹扫88 s，当PEMFC 电堆最外层电池阴极催化层温度降到0 ℃时，起动PEMFC 电堆，加载如图2 所示典型道路试验工况功率曲线[4]，使PEMFC 电堆进入小负荷暖机运行状态。此时PEMFC 电堆自身温度较低，PEMFC 电堆自身输出电压、输出功率和效率都较低，因此在PEMFC 电堆运行的1 360 s 内其负载功率小于2.4 kW，这样在―10 ℃环境下保证了PEMFC 电堆的稳定运行。而在1 361～2 400 s 内，开始加载更大功率，加载的功率阶梯增加，并通过PEMFC 电堆控制器实时采集并保存PEMFC 电堆的动态运行参数。

图2 PEMFC电堆加载功率曲线

2 典型道路工况分析

图3 为负载电压随时间变化曲线。从图3 可以看出，在0～1 360 s 内，负载电压最高为88.6 V，最低为67.7 V。在对PEMFC 电堆加载的初始阶段，采用了相同的四段循环功率加载方法。主要考虑此时PEMFC 电堆自身温度较低，不适合直接加载高功率，这样避免PEMFC 电堆遭到损坏或者根本无法直接加载高功率。在相同的四段循环功率加载过程中，PEMFC 电堆持续运行，其内部的电化学反应持续进行，不断有大量热量生成，对PEMFC 电堆进行加热。在从1 361 s 开始对燃料电池电堆按图2 的功率曲线进行加载，随着时间推移，从2.3 kW 逐渐提升至5.7 kW，在每小段加载功率阶跃增大时，燃料电池电堆负载输出电压即刻降低，但在每一小段燃料电池电堆负载电压是逐渐升高的，如在1 815～1 935 s 内加载的功率为4.62 kW，燃料电池电堆负载输出的电压从63.5 V 上升到65.1 V。

图3 负载电压随时间的变化曲线

PEMFC 电堆进出口温度随时间变化曲线如图4 所示。从图4 可以看出，PEMFC 电堆开始工作时，其冷却液进出口温度和阴极进口温度都很低。随着PEMFC 电堆持续工作，其冷却液进出口温度和阴极进口温度逐渐升高，而且PEMFC电堆冷却液出口的温度最高，在2 080 s 时电堆冷却水出口温度达到58.2 ℃。随后PEMFC 电堆冷却系统开始工作，水泵和风扇开始运行，不断将PEMFC 电堆产生的热量越来越多地散到环境中去，PEMFC 电堆开始降温，在2 250 s 时其冷却水出口温度降到了41.2 ℃，PEMFC 电堆冷却系统停止工作，水泵和风扇停止运行。由于PEMFC 电堆继续不停工作，在PEMFC 内部不断有热量生成，从而使PEMFC 电堆冷却水进出口温度继续上升，当其温度大于58 ℃时，PEMFC 电堆冷却系统再次开始工作。只要PEMFC 电堆继续运行，PEMFC 电堆冷却液进出口温度和阴极进口温度就如此重复循环变化。

图4 PEMFC电堆进出口和其阴极进口温度随时间变化曲线

PEMFC 电堆系统辅助功率随时间变化曲线如图5 所示。从图5 可以看出，对PEMFC 电堆加载的功率越大，单位时间内需要通过压缩机向电堆阴极流道内送入更多的空气，同时通过氢气循环泵向电堆阳极侧送入更多的氢气，结果导致PEMFC 电堆消耗的辅助功率越来越多。特别是在1 940 s 后PEMFC 电堆加载5.7 kW 的功率，而且PEMFC 电堆冷却系统的水泵和风扇开始工作后，消耗的辅助功率达到948 W。

图5 PEMFC电堆辅助功率随时间变化曲线

PEMFC 电堆阴极、阳极进口压力随时间的变化曲线如图6 所示，加载功率小于2.4 kW 时，电堆阴极入口仅为0.006 MPa；加载功率小于5.7 kW 时，电堆阴极入口的空气压力为0.016 MPa。从图6 可以看出，PEMFC 电堆阴极入口空气压力随着燃料电池电堆的加载功率升高而逐渐变大。PEMFC电堆阳极入口氢气平均压力保持在0.047 MPa，瞬间电堆阳极最低入口压力为0.036 MPa，瞬间电堆阳极最高入口压力为0.055 MPa。PEMFC 电堆阳极入口压力大于其阴极入口压力，最大压力差为0.039 MPa，使PEMFC 电堆阳极侧氢气向阴极侧移动，使电离的氢离子通过质子交换膜到达阴极，保证了PEMFC 电堆可持续运行。同时，氢气循环泵给电堆阳极入口供给的氢气是过量的。在功率加载的阶跃时刻，电堆阳极入口压力发生阶跃变化。

图6 PEMFC电堆阴极、阳极进口压力随时间的变化曲线

PEMFC 电堆4 个模块(模块1、2 和3 分别由22 个单电池组成，模块4 由24 个单电池组成)输出电压随时间变化曲线如图7 所示。从图7 可以看出，随着PEMFC 电堆加载功率的变化，其模块1～4 的输出电压变化走势是相同的，而且模块输出电压随着加载功率变化而阶跃变化。模块4 输出电压高于模块1、2、3，模块4 最高输出电压为23.4 V，而模块1、2、3 的最高输出电压为21.6 V。从图8 可以看出，PEMFC 电堆单体电池输出的最高电压分别为1.01 和0.95 V，其输出的最低电压分别为0.72 和0.64 V，单体电池最高和最低输出电压差分别为0.06 和0.08 V，这主要是由于单体电池间一致性、工作条件、运行状态存在一定差异所致。

图7 PEMFC电堆4个模块输出电压随时间的变化曲线

图8 PEMFC电堆单体电池最高和最低电压随时间变化曲线

3 结论

PEMFC 电堆在0 ℃时起动并逐渐加载功率是一个相当复杂的过程。在小负荷暖机工作过程中，PEMFC 电堆自身的工作温度、输出电压、阴阳入口压力、单体电池质子交换膜内迁移水和其辅助功率瞬时发生变化。在1 940 s 后PEMFC 电堆加载5.7 kW 的功率，而且PEMFC 电堆冷却系统的水泵和风扇开始工作后，消耗的辅助功率达到948 W。当其温度大于58 ℃时，PEMFC 电堆冷却系统再次开始工作。只要PEMFC 电堆继续运行，PEMFC 电堆冷却液进出口温度和其阴极进口温度如此重复循环变化，从而保持电堆的工作性能最佳。