PEM燃料电池电堆低温起动试验*

李义 许思传 张洁

（同济大学 新能源汽车工程中心）

PEM燃料电池电堆低温起动试验*

李义 许思传 张洁

（同济大学 新能源汽车工程中心）

为评价不同参数对PEM燃料电池电堆低温起动性能的影响，搭建了燃料电池电堆低温起动试验平台，对5 kW燃料电池电堆在-5℃、-10℃和-15℃下的低温起动性能进行了试验研究。结果表明，在低温下恒电压模式比恒电流模式更有利于电堆升温；电堆起动电压为30 V时升温速度快于40 V和20 V时；初始温度越低时电堆升温速率越慢。另外，经过低温起动后电堆性能发生了衰减，电镜扫描结果也显示经过低温起动后电堆质子交换膜局部出现了破损，应采取措施减缓低温起动对电堆的损伤。

1 前言

质子交换膜（PEM）燃料电池系统在国际上被普遍认为是未来汽车动力最有前途的解决方案之一。PEM燃料电池汽车目前还处于研发阶段，其商业化发展面临的最主要障碍是电池成本和耐久性问题[1]。因PEM燃料电池汽车在环境温度较低下运行时，燃料电池产生的水在低温下很容易发生冻结导致电池无法运行或运行很短时间就被迫停机，而反复起动可能会破坏电池的内部结构，继而严重影响电池的使用寿命。

国内外学者[2～8]在燃料电池低温起动的产水结冰机理方面、低温起动对燃料电池性能的影响方面、燃料电池低温起动的外部影响因素方面、燃料电池低温起动的模型研究方面进行了大量研究，但以上研究均只侧重于单电池的低温起动，未研究PEM燃料电池电堆的低温起动特性。而车用PEM燃料电池电堆是由几十甚至几百片单电池组成，在低温起动过程中单电池之间会相互影响，故有必要对车用PEM燃料电池电堆进行低温起动研究。为此，基于车用燃料电池电堆搭建了低温起动试验台架，对电堆低温起动性能进行试验研究。

2 PEM燃料电池电堆及试验台架

本试验采用的PEM燃料电池电堆（下称电堆）为额定净功率为6 kW的观光车用电堆，以此电堆为核心集成的燃料电池系统分为氢气供给系统、空气供给系统、电控系统、冷却液循环系统以及电子负载与数据采集系统等，如图1所示。搭建的试验台架如图2所示，其中高、低温交变试验箱PTC1410-D用于电堆的降温冷却，模拟冬季的低温环境。在试验中，除储氢系统外，其它系统部件均在环境仓内。

氢气供给系统给电堆阳极提供足量燃料供给，并使氢气压力保持在电堆可承受范围内；空气供给系统根据电堆电流或负载工况，通过调节风机转速提供足量空气供给；冷却液循环系统通过大、小循环电磁阀来实现电堆的温度控制；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。本文电堆是由90片活性面积为250 cm2的单电池构成。

电堆低温起动性能影响因素试验测试流程如下：

a.电堆在额定条件下运行直到电堆电压稳定，保证每次低温起动试验前电堆内部水的分布及湿度的均匀性和稳定性；

b.通过停机进行吹扫来减少电堆内含水量，其中，将风机调至最大转速对阴极侧进行吹扫，利用氮气对阳极侧进行吹扫；

c.开启高低温交变箱给电堆降温，降温10 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温度[9]，如果电堆出口处温度保持恒定，则认为电堆内部温度分布均匀，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为止；

d.进行低温起动试验并采集试验数据；

e.重复上述试验过程直至试验测试结束。

3 试验结果与分析

3.1 不同起动方式对电堆低温起动性能的影响

比较了恒电压模式与恒电流模式起动对电堆低温起动的影响，结果如图3所示。

从图3可以看出，恒电压模式下电流值有一个快速上升的过程，此时的电流值是电堆在当前状态下所能产生的最大电流，同时产生了最高的热量，在相对较低的起动电压下，恒电压模式比恒电流模式更能实现电堆的快速升温[10]。后续试验均采用恒电压模式。

3.2 初始温度、起动电压对电堆低温起动性能的影响

图4为电堆初始温度约为-5℃时，不同起动电压对电堆低温起动性能的影响结果。从图4可看出，起动电压为30 V时的电堆温度上升到零度的时间比起动电压为40 V时要短。这是由于起动电压较低时，根据电堆的发热量公式（1）可知电堆电流相对较大，所以电堆产热率也较高，电堆温升快。

式中，Q为电堆发热量；VC为电堆平均单体电压；n为电堆单体数；i为电堆电流；t为电堆起动时间。

图5为电堆初始温度约为-15℃时，不同起动电压对电堆低温起动性能的影响结果。从图5可看出，起动电压为20 V时，电堆低温起动失败；起动电压为30 V时，电堆起动成功。这是由于起动电压过低时，由于电堆电流较大，根据电堆的产水量公式（2）可知电堆产水量也较大，故在低温下更容易结冰。这将导致电堆催化层活性面积逐渐被冰覆盖，电堆电流不断减小直至电堆催化层完全被冰覆盖，此时电流降为零，电堆低温起动失败。

式中，mH2O为电堆产水量。

从起动电压对电堆低温起动影响的试验结果可知，低温起动过程是电堆发热与产水结冰之间相互“竞争”的过程，若既要增加电堆在低温起动过程中的产热量，又要尽量减少电堆在反应中的产水量，则起动电压取值既不能太高也不能太低。本试验的3个起动电压值中，30 V是最佳起动电压值。

从图5b还可看出，电堆温度上升到约-4℃时，电堆电流基本保持不变，电堆温度上升到-2℃时，电堆电流开始快速增大。这是由于电堆温度在约-4℃时，其产热率与水结冰速率处于动态平衡，此时电流基本保持不变。随电堆温度继续升高，电堆产热速率大于水结冰速率，电堆内部催化层活性面积不断增加，电堆电流迅速增大。因此只要电堆温度升温能超过-4℃，电堆低温起动即可成功，这与文献[9]中认为阴极催化层中水的冰点约为-4℃的观点一致。

3.3 初始温度和起动电压对电堆温升速率的影响

图6为30 V恒电压模式下，不同电堆初始温度时低温起动过程中温度变化曲线。从图6可看出，电堆初始温度越低，温升速率越缓慢，电堆低温起动越困难。

图7为电堆初始温度为-10℃，以不同电压起动时的电堆温度变化曲线。从图7可看出，起动电压为30 V时，电堆温升上升到0℃的时间最短，但初始电压更低时（20 V），电堆温度上升到0℃的时间反而相对更长，这是由于电堆低温起动过程中，在不同起动电压下的产热率与产水速率不同导致。

3.4 低温起动对电堆性能的影响

图8为低温起动试验前、后在50℃电堆额定运行状态下测得的电堆极化曲线。从图8可看出，经过9次电堆低温起动试验后，电堆性能发生了明显衰减。试验还对经历低温起动后的电堆内部单电池进行了电镜扫描，如图9所示。由图9可看出，经过低温起动后，由于反复的冰冻和解冻，电堆质子交换膜上出现了裂纹及穿孔，这直接导致了电堆的损伤。

4 结束语

a.由于恒电压模式下，电堆产生的电流是电堆在当前状态下所能产生的最大电流，同时产生了最高的热量，故恒电压模式相对于恒电流模式更能促进电堆在冰点下的快速升温；

b.起动电压为30 V时，电堆升温速率快于起动电压为40 V和20 V时，这说明起动电压并非越低越好，起动电压越低发热量越大，但此时的产水量也越大，越容易结冰。

c.电堆温度升至约-4℃时，电堆产热率与水结冰速率处于动态平衡，此时电流基本保持不变，随电堆温度继续升高，电堆产热速率大于水结冰速率，电堆电流值迅速增大，因此在保证电堆温度上升到约-4℃，且电堆的电流不为零，则可实现电堆低温起动。

d.电堆初始温度越低，温升速率越缓慢，电堆低温起动越困难；

e.经过冷起动试验后电堆性能出现了衰减，必须采取措施减缓低温起动对电堆的损伤。

1 Wang Y,Chen K S,Mishler J,et al.A review of polymerelectrolyte membrane fuel cells:technology,applications, and needs on fundamental research.Applied Energy,2011, 88:981～1007.

2 Ishikawa Y,Morita T,Nakata K,et al.Shiozawa.Behavior of water below the freezing point in PEFCs.Journal of Power Sources 163（2007）:708～712.

3 Yan Q,Toghiani H,Lee Y,et al.Effect of sub-freezing tem⁃peratures on a PEM fuel cell performance,startup and fuel cell components.Journal of Power Sources,2006,160: 1242～1250.

4 Pinton E,Fourneron Y,Rosini S,et al.Experimental and theoretical investigations on a proton exchange membrane fuel cell starting up at subzero temperatures.Journal of Pow⁃er Sources 186（2009）:80～88.

5 Kui Jiao,Xianguo Li.Cold start analysis of polymer electro⁃lyte membrane fuel cells.International Journal of Hydrogen Energy 36（2010）:5077～5094.

6 Kui Jiao,Xianguo Li.Effects of various operating and initial conditions on cold start performance of polymer electrolyte membrane fuel cells.International Journal of Hydrogen En⁃ergy 34（2009）:8171～8184.

7 Hua Meng.A PEM fuel cell model for cold-start simulations.Journal of Power Sources 178（2008）:141～150.

8 Hua Meng.Numerical studies of cold-start phenomenon in PEM fuel cells.Electrochica Acta 53（2008）:6521～6529.

9 Pinton E,Fourneron Y,Rosini S,et al.Experimental and the⁃oretical investigations on a proton exchange membrane fuel cell starting up at subzero temperatures.Journal of Power Sources,2009,186:80～88.

10 JiaoKui,Alaefour IE,Karimi G,et al.Cold start characteris⁃tics of proton exchange membrane fuel cells.International journal of hydrogen energy,2011;36:11832～11845.

（责任编辑文 楫）

修改稿收到日期为2014年8月24日。

表5 动力性与经济性试验结果

6 结束语

依据车辆在动力性和经济性方面的设计需求，确定了CA7CH350D湿式DCT的总体结构方案，并对变速器同步器、驻车机构和换挡机构的结构、布置形式和性能参数进行了分析，同时对变速器的空间布置关系进行了详细的说明，最后对装载所设计变速器的车辆进行了道路测试。试验结果表明，车辆的动力性和经济性满足设计需求，证明了CA7CH350D湿式DCT设计合理，可以实现工程化运用。

参考文献

1 刘唯信.汽车设计.北京：清华大学出版社，2001.

2 葛安林.车辆自动变速器理论与设计，机械工业出版社，1993.

3 牛铭奎.双离合器式自动变速器简介.汽车工艺与材料，2002，12：36～38.

4 牛铭奎.双离合器式自动变速器换挡特性研究.汽车工程，2004，4：453～457.

5 牛铭奎.双离合器式自动变速器系统，汽车技术，2004，6：1～3.

（责任编辑帘 青）

修改稿收到日期为2015年2月1日。

Cold Starting Test of a PEM Fuel Cell Stack

Li Yi,Xu Sichuan,Zhang Jie
（Clean Energy Automotive Engineering Center,Tongji University）

In order to evaluate the influence of different parameters on the cold start performance of PEM fuel cell stack,an experimental platform on the cold start of fuel cell stack is established,the cold start performance of a 5 kW fuel cell stack is studied at temperatures of-5℃,-10℃and-15℃.The results show that potentiostatic mode is more advantageous to the temperature rise of fuel cell stack than the galvanostatic mode,and the temperature rises faster when the start voltage is 30 V compared with 40 V and 20 V.And the lower initial temperature,the slower the fuel cell stack temperature rising rate is.Furthermore,stack degradation occurs after the cold start,and the fuel cell stack proton exchange membrane damage is observed by SEM after cold starting,therefore measures shall be taken to mitigate the damage of the fuel cell stack caused by cold starting.

Fuel cell stack,Cold start,Test

燃料电池电堆 低温起动 试验

U463.64

A

1000-3703（2015）03-0031-05

国家“863”项目（2012AA110501）。