质子交换膜燃料电池启动策略的实验研究

王勇，何丽，刘优贤，李岩，邱宜彬，刘嘉蔚，陈前宇，刘志祥

质子交换膜燃料电池启动策略的实验研究

王勇1，2，何丽1，刘优贤1，李岩3，邱宜彬1，刘嘉蔚1，陈前宇4，刘志祥1

（1西南交通大学电气工程学院，四川成都 610031；2国网四川省电力公司泸州供电公司，四川泸州 646000；3中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，吉林长春 130021；4国网四川省电力公司德阳供电公司，四川德阳 618000）

质子交换膜燃料电池（PEMFC）在启动时各单片电池将出现高电压，而高电压会加速催化剂碳载体的腐蚀，进而影响电堆的性能。为了降低燃料电池启动时形成的高电压和缩短高电压维持的时间，本文通过实验研究对比分析了常规启动、联合最低单片电压启动和减小氢气进气压力启动3种不同启动方式对PEMFC的影响，提出了一种新的PEMFC启动策略。该策略是减小电堆启动时氢气进气压力，当电堆最小单片电压值大于0.3V后立即切入10Ω启动负载。结果表明，该策略不仅可以明显降低电堆启动时最大单片电压值，还缩短了高电压维持的时间，有利于提高电堆耐久性，是一种十分有效的PEMFC启动控制策略。

燃料电池；启动策略；性能；耐久性

燃料电池发电技术是21世纪以来人们高效利用可再生能源的最关键技术之一，世界各国政府和很多机构都对燃料电池技术的开发和产业化保持大力支持的态度，在最近20～30年燃料电池突飞猛进，迅速地发展起来，是车用新能源中最具有潜力的优选对象[1-5]。氢燃料电池能量转换效率高，不受卡诺循环的限制，模块结构、清洁、无污染、积木性强、噪声低[6]，被誉为21 世纪最有潜力和发展前途的绿色能源装置，被列为未来世界十大科技之首，受到了世界各国政府和机构的高度重视和大力资助[7-14]。但也存在制约其发展的障碍，PEI等[15]研究了不同工况下质子交换膜燃料电池（PEMFC）性能衰减比例，结果表明启停工况对燃料电池寿命的影响很大，仅次于变载工况。余意[16]测试了PEMFC电堆在启停工况下的性能衰减速率，结果表明启停机工况对燃料电池寿命的影响很大。UTC公司的REISER等[17]于2005 年提出PEMFC催化剂载体在启停过程的一种腐蚀机理，即反向电流机理。另外，电堆启动时的高电势对催化剂也有腐蚀作用。目前，碳材料被广泛应用于PEMFC催化剂的载体。然而，当碳材料处于高温和高电位下很容易发生氧化腐蚀，其发生的反应如式(1)和式(2)所示[18]。

C+2H2O—→CO2+4H++4e–(1)

C+H2O—→CO+2H++2e–(2)

SHAO等[19]研究中表明当电位高于0.207V时，式(1)较容易发生。在标准条件下，当电位高于0.518V时，碳载体易被氧化成CO，如式(2)。然而，当电池处于带载运行时，反应式(1)和式(2)的动力学速度十分缓慢，碳载体的腐蚀在短时间内并不明显。

由上文可知，必须防止燃料电池启停过程中电堆内氢空界面的形成，并尽量减小燃料电池启停过程中高电压值，缩短高电压维持的时间。本文针对燃料电池启动过程中出现高电压这个问题，提出了一种新的PEMFC启动策略。该策略为减小电堆启动时氢气进气压力，当电堆最小单片电压值大于某一启动电压设定值后立即将启动负载切入。实验表明，该策略能使电堆启动时高电压值明显减小，并且维持高电压的时间也明显缩短，这必然有利于减缓电池的衰减，提高电池的耐久性。

1 实验方案

1.1 实验系统

实验系统如图1所示，所用PEMFC为加拿大Ballard公司FCgen®1020ACS空冷自增湿型PEMFC，单电池数13片，额定功率500W，额定工作电流65A，最大工作电流75A，工作温度上限为75℃，PEMFC配备2个DC24V/1.5A的可调速风扇对电堆进行散热和供氧。电堆整个系统的控制是用凌华科技全新系列USB接口多功能数据采集模块USB-1902和上位机共同完成。USB-1902具有16-bit高分辨率，最高可达250kS/s模拟输入采样频率。并且USB-1902有2路的模拟电压输出通道，16路模拟电压输入通道，4路数字量输出通道和8路数字量输出通道，满足整个空冷型PEMFC测试平台数据采集与控制需要。由于USB-1902的模拟电压输入通道的测量范围是±10V，故本文实验利用USB-1902数据采集模块通过特殊的转换方法来精确采集电堆各单片电压，并且能精确采集负压。由于电堆启动时刻暂态电压变化很快，故本实验采集间隔设为0.1s（即1s内电压采集10次）。

图1 PEMFC启动实验系统

1.2 实验条件

实验在环境温度18～20℃，环境湿度RH50%～60%的室内环境进行。实验过程中，启动负载采用恒流（CC）和恒阻（CR）两种模式，实验所用的氢气为99.99%的高纯氢，氢气压力为0.36bar（1bar= 105Pa）。

2 实验结果与分析

2.1 常规启动对PEMFC的影响

首先采取常规启动方式启动燃料电池。启动方法为：先同时打开氮气进气阀和尾气阀5s（目的是排尽电堆内空气），然后关掉氮气进气阀，同时打开氢气进气阀并保持尾气阀打开的状态，1s后关闭尾气阀（目的是让氢气吹扫电堆）并立即将1A启动负载切入电堆。其单电池电压变化曲线如图2所示。图2中Δ表示电堆加启动负载启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间，max表示电堆各单片能达到的最大电压值（后文同）。从图2中数据可知电堆各单片中最大电压max可达1.03V，Δ为1.9s，而阴极高电位会造成碳载体腐蚀，故应该尽量减短电堆启动时维持高电压的时间，这对于提高电堆的耐久性显得十分重要。

图2 常规启动单电池电压变化趋势

2.2 不同时刻切入启动负载对PEMFC的影响

针对上述启动过程中存在的问题，为较小启动时的高电压值和缩短PEMFC启动时电堆维持高电压时间，将电堆启动时各单片电压和启动负载切入的时刻联系在一起。电堆在启动前各单片电压接近为零，随着氢气进气阀打开，氢气进入电堆阳极流道，各单片电压开始增加。本文利用当电堆最小单片电压值大于某一启动电压设定值（后文同）后立即将启动负载切入的方式来减小电堆启动时的高电压值。燃料电池启动后，当电堆中电压最小单片电池的电压值分别大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时立刻切入恒定小电流（1A）启动负载，其单电池电压变化曲线如图3所示。同理，燃料电池启动后当电堆中电压最小单片电池的电压值分别大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时立刻切入恒定小电阻（10Ω）启动负载，其单电池电压变化曲线如图4所示。

从图3数据中可知，当氢气进气压力为0.36bar时，最小单片电压值大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时切入1A启动负载电堆各单片能达到的最高电压max分别为0.91V、0.92V和0.99V，Δ分别为1.1s、1.3s和1.4s。从图4数据中可知，当氢气进气压力为0.36bar时，最小单片电压值大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时切入10Ω启动负载电堆各单片能达到的最高电压max分别为0.95V、0.98V和1.03V，△分别为1.1s、1.1s和1.4s。可见，无论是以1A启动负载还是10Ω启动负载启动电堆，其规律都是随着启动电压设定值由0.9V降到0.3V，电堆启动时达到的最高电压max越来越小，启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间Δ越来越短。

图3 1A负载启动单电池电压变化趋势

图3和图4表明减小电堆启动时启动电压设定值不仅可以减小电堆启动时最大单片电压值，还能缩短电堆启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间，这能有效地减弱电堆启动时催化剂上碳载体的腐蚀，提高电堆的耐久性。

2.3 不同氢压下恒定电阻启动负载对PEMFC的影响

为了进一步减小电堆启动时最大单片电压值，缩短电堆启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间，本文提出了一种新的PEMFC启动策略，即当电堆处于启动阶段时将氢气进气压力调低，电堆启动成功后，再将氢气进气压力调回正常运行设定值。考虑到不同氢气压力进入电堆使各单片电压增加的速度是不同的，随着氢气进气压力的逐渐减小，电堆各单片电压增加的速度也越来越慢。而空冷燃料电池氢气进气压力在电堆整个运行过程中保持不变，本文所用的电堆其使用手册设定的氢气进气压力恒定为0.36bar。故将氢气压力分为两档，启动档与运行档，启动时将氢气进气压力调低，当电堆在切入启动负载稳定运行后再将氢气进气压力调为运行档。由于电堆在实际运用中，启动负载为恒电阻的方式比恒电流实现容易，故下文中启动负载均采用恒定10Ω电阻。具体操作方法为将氢气进气压力调为0.3bar，燃料电池启动后当电堆中电压最小单片电池的电压值分别大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时立刻切入10Ω启动负载，其单电池电压变化曲线如图5所示。同理，将氢气进气压力调为0.2bar，燃料电池启动后当电堆中电压最小单片电池的电压值分别大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时立刻切入10Ω启动负载，其单电池电压变化曲线如图6所示。

图4 10Ω负载启动单电池电压变化趋势

图5 0.3bar氢压下启动单电池电压变化趋势

从图5数据中可知，当氢气进气压力为0.3bar时，最小单片电压值大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时切入10Ω启动负载电堆各单片能达到的最高电压max分别为0.89V、0.94V和1.01V，Δ分别为1.1s、1.2s和1.4s。从图6数据中可知，当氢气进气压力为0.2bar时，最小单片电压值大于启动电压设定值0.3V、0.6V和0.9V时切入10Ω启动负载电堆各单片能达到的最高电压max分别为0.81V、0.88V和0.93V，Δ分别为0.2s、0.5s和0.8s。图5或图6都可看出当氢气进气压力一定时（0.3bar或0.2bar），随着启动电压设定值由0.9V降到0.3V，电堆启动时达到的最高电压max越来越小，启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间Δ越来越短。从图4～图6可知，当启动电压设定值保持一定时，随着氢气进气压力由0.36bar降至0.2bar，电堆启动时达到的最高电压max越来越小，启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间Δ越来越短。所有实验中，当氢气进气压力设为0.2bar，启动电压设定值为0.3V时，电堆启动时达到的最高电压max最小，启动过程中最大单片电压值高于0.8V所维持的时间Δ也最短。

图6 0.2bar氢压下启动单池电压变化趋势

综上所述，减小氢气进气压力和启动电压设定值切入恒定小电阻启动负载启动电堆能减小电堆启动时最大单片电压值，缩短电堆启动过程中高电压维持的时间，减弱电堆启动时催化剂上碳载体腐蚀，这必然有利于减缓电池的衰减，提高电池的耐久性，是一种十分有效的燃料电池系统启动控制策略。

3 结论

PEMFC系统启动控制策略的研究具有重大的意义。本文提出了一种新的PEMFC启动策略。该策略为调小电堆启动时氢气进气压力，当电堆最小单片电压值大于某一启动电压设定值后立即将启动负载切入。实验表明，电堆常规启动时各单片中最大电压可达1.03V，启动过程高电压的维持时间达1.9s。当使用本文提出的新启动策略，氢气进气压力为0.2bar，启动电压设定值为0.3V时，电堆各单片中最大电压只有0.81V，启动过程高电压的维持时间只有0.2s。电堆启动时最大单片电压明显减小，维持高电压的时间也明显缩短，这必然有利于减缓电池的衰减，提高电池的耐久性，是一种十分有效的PEMFC启动控制策略。

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Experimental study of start-up strategy about PEMFC

WANG Yong1，2，HE Li1，LIU Youxian1，LI Yan3，QIU Yibin1，LIU Jiawei1，CHEN Qianyu4，LIU Zhixiang1

（1School of Electric Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;2State Grid Sichuan Electric Power Company Luzhou Power Supply Company，Luzhou 646000，Sichuan，China;3Northeast Electric Power Dsign Institute Co.，Ltd.，China Power Engineering Consulting Group，Changchun 130021，Jilin，China;4State Grid Sichuan Electric Power Company Deyang Power Supply Company，Deyang 618000，Sichuan，China）

High voltage occurs in each cell of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) when it starts，and the high voltage will accelerate the corrosion of the carbon carrier of the catalyst，which will affect the performance of the reactor. In order to reduce high voltage in the start-up process and shorten the duration time，we study the effects of three different start-up methods of regular start-up，associate minimum monolithic voltage and lower hydrogen inlet pressure on PEMFC through experiment，and then puts forward a new start-up control strategy of reducing the hydrogen inlet pressure in the start-up process and putting a 10Ω load in when the minimum monolithic voltage value of the stack is greater than 0.3V. The results show that the new system shut-down control strategy of PEMFC can reduce both the high voltage in start-up process and the duration time. So it is a very effective start-up strategy which improves the durability of the stack.

fuel cell；start-up strategy；performance；durability

TK91

A

1000–6613（2017）10–3921–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0097

2017-01-17；

2017-03-24。

国家自然科学基金（61473238，51407146）及四川省杰出青年基金（2015JQ0016）项目。

王勇（1991—），男，硕士研究生。

刘志祥，研究员，主要研究方向为燃料电池技术及应用。E-mail：liuzhixiang@swjtu.edu.cn。