乘用车用燃料电池系统的启停耐久实验

彭祖雄,李伟明,李剑铮

(广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东 广州 511434)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将化学能转化为电能的装置,是具有一定竞争力的汽车动力电源[1],主要优势为:①产物为纯净水,无污染物排放;②不受卡诺循环限制,能量转换效率高,理论能量转化效率可达85%～90%,远高于传统热机;③属于静态能量转换设备,噪音小;④功率密度高,结构紧凑、空间占比小,适合用作移动电源。尽管具有上述优点,但PEMFC 的全面商用化也存在一些挑战,如系统寿命偏短。有研究表明[2-3],燃料电池汽车的启停、怠速、变载以及大功率运行对电池寿命有很大的影响。所有车用工况中,频繁的变载和启停是影响燃料电池寿命的两大主要因素,占比分别为56.5%和33.0%。此外,大功率和怠速工况对燃料电池寿命影响的占比分别为5.80%和4.70%。

本文作者根据乘用车使用特性,设计两种启停耐久实验方案,开展燃料电池系统启停台架耐久实验,并从理论上解析启停工况对燃料电池寿命的影响机理,以期为燃料电池系统设计提供理论和实验支撑。

1 实验

1.1 启停工况设计

一般燃料电池乘用车在使用过程中,由于控制策略或临时停车,存在一种短时间的启停工况;还有一种是车辆车库中停一晚后次日再使用的长时间启停工况。短时间启停工况单次启停时间约48 s,具体步骤见表1,定义为“正常启停”。燃料电池汽车长时间静置,一般会有空气进入阴极流道,并渗透至阳极的情况。实际测试中,如果静置12 h 以上,会导致测试周期较长,因此,为了模拟长时间的停机工况,引入停机后阴极脉冲吹扫,加速空气渗透至阳极。设计的长时间启停具体步骤见表1,其中第1 步至第5 步启停总时长约为200 s,关机后进行约1 300 s 的阴极脉冲吹扫,单次启停时间约为1 500 s。这种长时间的启停定义为“空空启停”。

表1 正常启停与空空启停工况对比Table 1 Comparison of the normal start-stop and air to air startstop condition

1.2 启停耐久实验

将上述两种启停工况分别在同一种乘用车燃料电池系统上开展启停耐久实验。该系统为本文作者所在单位自主开发的GFM60E1 燃料电池系统,最大峰值功率为70 kW。实验过程中,定期测试燃料电池堆的极化曲线,以分析燃料电池系统的性能状态。该实验不但可以检验燃料电池系统在两种启停工况下的耐久寿命,也能比较两种工况对电池系统寿命的影响程度。两种启停工况所用的燃料电池系统方案、零部件选型及升降载速率等控制策略,均保持一致。

2 结果与讨论

2.1 正常启停实验结果与分析

正常启停实测循环工况曲线如图1 所示。

从图1 可知,每次启动时都有一小段零负载的高电位出现。燃料电池在零负载高电位的时间内,反应气体分压不断增大,反应气体在质子交换膜之间的渗透率也变大[4-5];当氧气渗透到阳极时,会生成双氧水,并扩散至膜内,膜中的羧酸基团与OH·发生化学反应,导致质子交换膜腐蚀降解,膜变薄且不平整,加速燃料电池寿命的衰减,具体机理如下:

图1 正常启停实测循环工况曲线Fig.1 Measured cycle condition curves of the normal start-stop

零负载下的高电位是正常启停的主要衰减机理。正常启停耐久实验前后的极化曲线如图2 所示。

图2 正常启停耐久实验前后的极化曲线Fig.2 Polarization curves before and after normal start-stop durability experiment

从图2 可知,正常启停耐久实验前,额定点(900 mA/cm2处)平均单体电压为677 mV;31 500 次正常启停耐久实验后,额定点平均单体电压为662 mV。累计经过31 500 次共计420 h 的正常启停耐久实验,电堆的额定点平均单体电压仅衰减2.21%,平均衰减速率为0.036 mV/h。短时间启停产生的零负载下的高电位,对燃料电池系统寿命影响较小。

2.2 空空启停实验结果与分析

空空启停实测循环工况曲线如图3 所示。

从图3 可知,空空启停在启动时也会出现短暂零负载高电位的时段。同时,停机过程中,随着阴极脉冲吹扫,出现了锯齿状的电压波动。这种现象就是实车长期停机后,由于阴极腔道的气密性不够,空气进入阴极流道,并渗透至阳极,与阳极中残留的氢气形成氢氧界面,产生的非工作状态下的电压上升现象。氢氧界面会腐蚀催化层,加速电池寿命的衰减。由此可知,氢氧界面和零负载下的高电位是空空启停的两大主要衰减机理。

图3 空空启停实测循环工况曲线Fig.3 Measured cycle condition curves of the air to air startstop

空空启停耐久实验前后的极化曲线和功率对比分别见图4、图5。

图4 空空启停耐久实验前后极化曲线Fig.4 Polarization curves before and after air to air start-stop durability experiment

从图4 可知,空空启停耐久实验前,额定点(900 mA/cm2处)平均单体电压为652 mV;450 次正常启停耐久实验后,额定点平均单体电压为571 mV。经过450 次约288 h 的空空启停耐久实验,电堆的额定点平均单体电压衰减达12.42%,平均衰减速率为0.432 mV/h。从图5 可知,450 次空空启停实验后,燃料电池堆的输出功率仅为52 kW,功率能力衰减至无法满足实车需求。这表明,由于空气渗透形成的氢氧界面,加速了燃料电池系统寿命的衰减。

图5 空空启停耐久实验前后功率对比Fig.5 Power comparison before and after air to air start-stop durability experiment

3 结论

本文作者开展的燃料电池系统启停台架耐久实验结果表明,高电位是正常启停对电池寿命的主要影响因素,而氢氧界面是空空启停对电池寿命的主要影响因素。由于空气渗透形成的氢氧界面加速了燃料电池系统寿命的衰减,空空启停对电池使用寿命的影响大于正常启停。空空启停耐久的燃料电池堆,额定点的平均单体电压衰减率达12.42%,平均衰减速率达0.432 mV/h;正常启停耐久的燃料电池堆的额定点平均单体电压的衰减率仅为2.21%,平均衰减速率为0.036 mV/h。在燃料电池系统方案设计、零部件选型及控制策略开发上,应避免停机时氢氧界面的出现,同时避免启动时高电位的出现,以延长电池的使用寿命。