基于恒电压模式PEMFC冷起动性能研究

郑浩，李义，许思传

(1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

基于恒电压模式PEMFC冷起动性能研究

郑浩1,2，李义1,2，许思传1,2

(1.同济大学汽车学院，上海 201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

对质子交换膜燃料电池冷起动系统进行实验研究，分别测试了电堆初始温度、起动电压、吹扫时间等多种因素对电堆冷起动性能的影响。实验结果表明：电堆初始温度越低，电堆起动越困难；在一定电压范围内，电堆电压越低，冷起动性能越好；吹扫时间的长短对电堆冷起动性能影响较大；冷起动过程中，电堆内单电池电压呈现非均匀变化。

冷起动；质子交换膜燃料电池系统；初始温度；起动电压；吹扫时间

质子交换膜燃料电池的商业化发展面临的最主要障碍是电池成本与耐久性问题[1]，燃料电池在低温环境中的冷起动能力也是阻碍其商业化的重要因素。燃料电池在低温环境下起动时，电极处产水会迅速在反应活性区冻结，覆盖并减小电化学反应活性区域同时堵塞反应气体的通道孔，导致电池起动失败[2]。为保证燃料电池在冰点以下成功起动，电池需要通过辅助加热或者自加热，在催化层完全被冰覆盖引起燃料饥饿、电化学活性区域骤减、电压骤降之前，电池温度至少要达到0℃[3]。

目前对于燃料电池冷起动性能的研究集中在单电池与仿真研究上，主要研究冷起动温度、电池冻结/解冻、MEA组件参数、电池水含量等对电池冷起动性能的影响，鲜有基于燃料电池系统对电堆冷起动性能的研究。

本文采用基于车用燃料电池系统设计的PEMFC低温冷起动测试系统，实验研究了恒电压模式下，环境温度、起动电压、吹扫时间等因素对电堆冷起动性能的影响，以期从系统控制策略角度实现电堆的优化冷起动。实验内容主要包括以下三个方面：(1)电堆初始温度对冷起动性能的影响；(2)起动电压的影响；(3)吹扫时间，即电堆内部水含量的影响。

1 燃料电池低温起动理论分析

燃料电池在工作过程中会出现电压损失：活化损失、欧姆损失与浓差损失，从图1所示的燃料电池极化曲线可以看出，随着燃料电池工作电流的增大，电池的电压逐渐减小。

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图1 燃料电池极化曲线

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电池正常运行状态下工作在欧姆极化区域，此时电池的电流、功率值相对较大，同时电池电压不会太低。燃料电池要实现在零度以下低温环境成功无辅助热源自起动，电池需要较快的升温过程，即电池的产热率要比较大。恒电压模式，即保持电池工作电压恒定的模式，可以一直保证电池较大产热率以实现低温下电池的快速升温[4]，电池的产热率大致与电流密度成正比关系，产热方程为：

2 测试平台、实验系统及实验步骤

2.1 测试平台

燃料电池冷起动测试平台如图2所示，包括高低温交变实验箱PTC1410-D，氢气、空气供给系统，电力/电子管理系统，控制电堆温度的大、小冷却循环系统，电子负载与数据采集系统。高低温交变实验箱控制燃料电池电堆温度，此实验中用于电堆降温；氢气供给系统，电堆入口处氢气压力保持恒定值以提供足量燃料供给；空气供给系统可根据电堆电流或者负载工况通过调节风机转速提供足量空气供给；电子负载提供外电路不同工况；数据采集系统采样时间间隔为1 s，具备监测电堆与单电池性能的能力。

图2 燃料电池冷起动测试平台

2.2 实验系统

实验冷起动系统如图3所示，实验电堆的额定功率为6 kW，由90片活性面积为250 cm2的单电池构成的商业化燃料电池电堆，冷起动系统基于车用燃料电池系统搭建，并通过大、小电磁阀来实现电堆的温度控制。冷起动开始阶段，开启小电磁阀，电堆冷却水经小电磁阀形成小循环回路以减少电堆的热量散失；冷起动成功后，电堆进入常规运行阶段，温度上升到约55℃，大电磁阀开启，电堆冷却水经大电磁阀形成大循环回路以实现对电堆散热。

图3 燃料电池冷起动实验系统

2.3 实验步骤

(1)燃料电池电堆在额定条件下(55℃)运行至少30 min直到电堆电压稳定，保证每次冷起动实验前电堆内部水含量分布、湿度等的均匀与稳定性；

(2)停机，阴极侧，将风机调至最大转速(3 000 r/min)对电堆进行吹扫；阳极侧，利用氮气进行吹扫，吹扫能有效减少电堆内水含量；

(3)开启高低温交变箱给电堆降温，降温7 h后，开启小循环冷却回路，通过电堆出口处温度传感器监测电堆内部的温度[5]，如果电堆出口处温度保持恒定，则认为电堆内部温度分布是均匀的，如果电堆出口处温度是变化的，则继续冷却电堆，直到电堆出口处温度保持恒定以保证电堆内部温度分布的均匀性；

为验证上文提出的利益协调分配机制的有效性，此部分对分散决策、集中决策以及利益协调模型中的相关参数进行赋值模拟，在满足基本假设条件的前提下，具体的参数赋值如表2所示。

(4)在恒电压模式下，进行冷起动实验并采集实验数据，在电堆电流减小到零之前，电堆温度上升到0℃，则冷起动实验成功；

(5)重复上述实验过程；

(6)燃料电池冷起动性能影响因素实验测试结束。

3 结果与分析

3.1 电堆初始温度对PEMFC冷起动性能的影响

图4 初始温度对电堆冷起动性能的影响

图4所示为电堆初始温度不同，冷起动过程中电压、电流以及温度的响应曲线。冷起动之前，电堆阴极侧利用空气吹扫5 min，阳极侧利用氮气吹扫5 min中，起动电压均为30 V。从图4电流响应可以看出，电压加载过程相同时，不同的电堆初始温度，冷起动过程中电流的变化趋势大致相似，电堆温度不断升高。电堆电压加载至30 V时，电堆电流首先有一个瞬间增大到某一值的过程，此过程由燃料电池极化曲线可知，电压降低时，电流会增大；随后电流会逐渐减小，其原因在于电堆内部电化学反应产水发生了冻结，阴极催化层逐渐被冰覆盖，电化学反应活性区域减小；直到减小到某一值时，电堆电流出现一小段基本保持恒定不变的过程，这主要是电堆产热速率和水结冰速率达到了平衡，电堆内部处于冰水混合状态，此时电堆的温度约为－4℃，证实了催化层的冰点温度也约为－4 ℃[5]；最后电堆电流快速增大，此时电堆温度约为－2℃，此过程由于电堆温度相对较高，电堆产热速率大于水结冰速率，电堆内部覆盖在阴极催化层的冰开始融化，催化层电化学反应活性面积增大。

对比图4(a)、(b)、(c)可以看出，冷起动过程中，电堆初始温度越低，电堆冷起动性能越差，电堆温度上升到0℃所需的时间越长，电堆冷起动越困难，这是由于温度越低，电堆运行时产水越容易发生冻结，电堆温升速率越缓慢。

3.2 起动电压对PEMFC冷起动性能的影响

(b)30 V恒电压起动

图5 起动电压对电堆冷起动性能的影响

3.3 吹扫时间对PEMFC冷起动性能的影响

图6所示为－15℃冷起动过程中电堆电压、电流与温度的响应曲线。

图65 min吹扫起动

冷起动之前，电堆阴极侧利用空气吹扫5 min，阳极侧利用氮气吹扫5 min中，起动电压为20 V。从图5可以看出，冷起动过程中电流一直减小，接近零时，电堆电压与电流都出现了波动，最后电流降为零。此次冷起动失败，可能由于电堆初始温度较低，实验之前的吹扫时间相对较短，不能有效地除去电堆内部的水，冷起动过程中产水结冰逐渐覆盖了催化层。

为了验证失败的原因，对电堆阴极侧利用空气吹扫20 min，阳极侧利用氮气吹扫20 min后，以20 V恒电压再次进行－20℃冷起动实验，图7所示为不同吹扫时长冷起动过程中电堆温升对比，可以看出，延长吹扫时间显著提高了电堆的温升速率，电堆表现出较好的冷起动性能，电堆冷起动成功。有效的吹扫策略对电堆冷起动性能有显著的提高。

3.4 冷起动过程中单电池电压变化

为了考察冷起动过程中电堆内单电池电压的变化，图8比较了－15℃冷起动过程中电堆内10片单电池电压变化，可以看出，单电池电压表现出非常的不一致性，同时单电池电压在冷起动过程中不断波动，这可能由于冷起动过程中，电堆内部结冰与温度分布不均匀导致。

图7 吹扫时长对电堆冷起动性能的影响

4 结论

研究了电堆初始温度、起动电压、吹扫时间等多种因素对电堆冷起动性能的影响。实验结果表明：电堆初始温度越低，电堆起动越困难；在一定电压范围内，电堆电压越低，冷起动性能越好；吹扫时间的长短对电堆冷起动性能影响较大；冷起动过程中，电堆内单电池电压呈现非均匀变化。

图8 －15℃冷起动过程中单电池电压变化

[1]WANG Y,CHEN K S,MISHLER J,et al.A review of polymer electrolyte membrane fuel cells:technology,applications,and needs on fundamental research[J].Applied Energy,2011,88:981-1007.

[2]WANG Y.Analysis of the key parameters in the cold start of polymer electrolyte fuel cells[J].Journal of the Electrochemical Society, 2007,154(10):1041-1048.

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Research on cold start characteristics of PEMFC based on potentiostatic mode

ZHENG Hao1,2,LI Yi1,2,XU Si-chuan1,2

The experimental researches on PEMFC cold start system were carried out.The response of different factors including the effects of initial temperature,start voltage,and purging time on cold start performance of fuel cell stack were investigated.The experimental results show that the initial temperature of fuel cell stack is lower,and the start-up is harder;in a certain range,the voltage is lower,the cold start performance is better;the cold start performance of fuel cell stack is influenced by the purging period before cold start significantly;the single cell voltage of the stack varies non-uniform during the cold start process.

cold start;PEMFC system;initial temperature;start voltage;purging period

TM 911

A

1002-087 X(2014)02-0259-03

2013-06-15

国家“863”燃料电池轿车项目(2011AA11A265)

郑浩(1989—)，男，安徽省人，硕士生，主要研究方向为燃料电池冷起动。