自开发大功率电堆冷启动测试工艺及典型问题研究①

裴冯来, 梅宇航 , 石 霖, 杨传亚

(1.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司，上海 210805；2.上海机动车检测认证技术研究中心有限公司江苏分公司 江苏 如皋 226500)

0 引 言

质子交换膜燃料电池(PEMFC)直接在电池内部发生化学反应，将化学能转化成电能，生成物仅有水，不污染环境，也不会产生温室气体，且具有功率密度高、工作温度低、响应迅速、操作方便、安全可靠等优点。[1]由于环境问题的日益恶化，PEMFC的应用前景更加广阔。但燃料电池在低温工作环境(0℃以下)下，无特殊处理或辅助工具，其阴极侧反应产生的水易结冰而堵塞催化层、扩散层，阻碍反应进行。同时水结冰产生的体积变化会对膜电极组件的结构产生破坏，导致性能衰减。因此，燃料电池电堆的低温冷启动目前处于一个瓶颈状态，这也是制约燃料电池汽车商业化发展的主要原因之一[2]。

现如今国内公司大多采用“停机吹扫+预加热启动”的方式来实现电堆的低温冷启动，但从实际运行情况而言，这种启动方式的效果并不是很好。

因此，本文主要针对自开发PEMFC大功率电堆(≥60kW)测试设备进行冷启动试验能力验证。

1 国内外相关研究

PEMFC低温冷启动问题是近年来专家和学者们的研究热点，也是PEMFC商业化发展中亟待解决的关键问题。赵鑫[3]等人认为，PEMFC在低温工况下，可能会因结冰导致反应位点被覆盖或者反应物传输通道被堵塞而无法启动。如果在冰阻碍电化学反应前，温升速率增大到足以使催化剂层(CL)温度大于冰熔点，冷启动就能成功。李友才[4]建立了电堆冷启动模型，通过对冷却液加热、燃烧氢气、端板加热等不同加热方法进行仿真分析。同样地，李洁[5]也介绍了内部加热、外部加热和停机吹扫等多种冷启动措施，阐述了热管理和冷启动的发展趋势。

为了实现更好的冷启动性能，研究者大多研究多次冻-融(Freeze-Thaw，F-T)循环后，电池主要部件变化以及性能衰减情况。或者通过改变某一试验条件进行自启动，来寻找最佳的冷启动参数。Hwang[6]通过电镜扫描发现，结冰对催化剂层造成严重损伤。Knights[7]等对吹扫除水的PEMFC进行多次F-T循环，发现燃料电池结构没有遭受明显破坏；在低电流密度下启动燃料电池，未发现电池性能有明显下降；而高电流密度下电池性能下降较为明显。研究发现，在没有吹扫除水、供热或其他辅助条件下，电池能自发启动的最低温度在-10～-5℃之间，低于-10℃的自启动大多以失败告终。但在-10℃(或温度更低)时改变部分操作条件(膜的初始水含量、启动温度、电流密度等)，可显著改善电池的冷启动能力，使电池平稳运行。詹志刚[8]发现冷启动操作条件对电池自启动有较大影响，加大进气流量、降低启动负载电流密度可以提高电池启动能力。Du[9]建立了质子交换膜燃料电池堆模型，发现最大功率冷启动模式能更好地平衡热量产生和结冰的关系，提高冷启动的成功率。

衡量冷启动能力的指标有启动最低温度、启动过程耗能和启动时间等。目前丰田在低温启动指标方面排名靠前，2014年就已实现燃料电池堆-30℃冷启动。俞红梅[10]等人在-5℃和-10℃启动研究的基础上，进一步分析了低温启动后燃料电池内部结构的变化，为研制新型抗冰冻燃料电池材料奠定了基础。郑浩[11]等在-10℃下比较启动电压为30V、40V时燃料电池的性能，他们认为低压启动时燃料电池产热速率较快，其温度变化大，启动性能较好。周怡博[12]则针对电堆中不同位置以及不同数量的燃料电池进行外部加热，使电堆充分利用自身的热量，以减小冷启动过程中所需的外部加热量，从而缩短冷启动时间。

本文主要通过自开发PEMFC大功率电堆(≥60kW)测试设备，改变试验条件进行电堆低温冷启动，探究启动参数对电堆启动性能的影响。

2 电堆冷启动测试工艺

2.1 电堆冷启动测试

对于大功率燃料电池电堆而言，低温启动是一个难点，传统冷启动测试需要将整套设备及测试样件放置在极寒地区，目标温度具有不可控性，且耗费人力物力资源较大；其次测试成本较高，目前国内满足大功率电堆冷启动的设备较少。而对燃料电池电堆的低温启动进行研究，可以提高国内燃料电池电堆的可靠性与耐久性。因此本文主要对电堆冷启动测试工艺及测试设备进行研究。

本研究的冷启动过程前，需先对电堆进行初始性能测试，检验电堆性能；检验后再将电堆移至环境舱内，连接电堆与测试台架管路以及冷启动设备，加注防冻液，连接负载线与电堆模块通讯线。其次开启电堆测试台架，设定安全联动参数，包含氢气进出口压差、空气进出口压差、阴阳极进口压差、单片电压停机值与报警值等。准备工作完成后，对电堆三腔进行保压，三腔压力压降在15 min内小于1.5 kPa则满足实验前安全需求，若不符合要求立即用检漏液寻找漏点并及时紧固，运行吹扫程序，在低电流密度运行条件下对电堆进行氢空两腔吹扫，每次启动吹扫两次，分为停机前吹扫与停机后吹扫，且每次吹扫又分为两个步骤，先湿气吹扫后干气吹扫，目的是为了排出堆内残余水汽。测试完成后，利用小电流法对电堆总电压进行释放，消耗电堆内部反应气体，使用阻抗测试仪测试电堆内阻值，若电堆每片内阻>0.8Ω，则满足冷启动测试要求，然后将电堆进行低温存储，存储时长不低于12h，存储结束后从上位机端读取电堆冷却水进出口温度，若温度与环境舱温度温差在±1℃内，设定冷却水流量(一般水流量设定值为电堆总片数*0.2 L为初始水流量)，输入电堆基本参数(活化面积、电堆片数、电压采集通道等)，输入完成后，在上位机Test Station 中查看设定值与实际值是否一致，避免试验终止。确认完成后开始冷启动测试。测试前需将阴阳极气体切换为干气，打开自动化程序，程序运行之后观察程序运行步骤，在测试过程中程序自行控制进气流量、压力、温度、电流等参数(通入0.4 A/cm2电流密度下的进气流量，压力设为定值阳极入口为100 kPa，阴极入口为50 kPa。随后将电流密度逐渐升至0.4 A/cm2并观察电堆平均电压、单片最低电压与电堆功率是否符合要求，并维持200s，最后降低电流密度、气体压力、气体流量)。测试过程中，程序通过负载采集和高动态运算实时反馈总电压、最大单片电压、最低单片电压、平均电压、功率等，以便判断该电堆启动过程是否正常，是否满足冷启动测试需求。启动完成后打开停机吹扫程序，继续进行低电流密度运行下的氢空两腔吹扫，至此一轮完整的低温冷启动结束，按照以上要求重复成功启动3次，即该电堆低温冷启动试验成功。

2.2 冷启动试验流程介绍

冷启动试验包括样品安装、保压、初始性能检测、吹扫、低温存储、冷启动等多个步骤，其流程图如图1所示。

图1 冷启动试验流程图

3 电堆冷启动测试平台

目前燃料电池电堆冷启动测试主要依靠国外进口设备，设备造价昂贵，成本高。自开发了进口电堆测试台和国产环境舱匹配的测试台，搭建了舱内冷却系统，如图2。并集成温度、压力传感器于进口电堆测试台上进行温度、压力的监测，同时将冷却系统接入测试台上，使用PID和动态运算法对冷却路进行控制，如图3。

图2 冷启动测试设备

图3 冷却水侧简易PID图

此外，若电堆测试台架不耐低温，可将电堆氢气出口、空气出口的气体管路更换成特制耐低温管路，此管路可对管内气体进行温度监测及温度控制，使得排出的气体经过膜片式背压阀不会形成冰晶水导致背压阀失效或致命性物理损伤，同时也保证了台架的安全性。

根据2.1电堆冷启动测试的方法，使用自开发的电堆冷启动设备进行电堆冷启动试验。进行一轮完整的冷启动试验后，可基于试验数据对电堆的冷启动性能进行多角度分析。

4 测试平台影响因素分析

电堆在冷启动过程中存在多方面影响因素，例如气体流量、温度、压力等。

4.1 气体流量

在低电流密度点时由于氢气、空进气流量需求量较小，且气体管路长度较长，所以气体供应至各单片存在迟滞，约为0.5～1 s的时间滞后，不会导致电堆内部欠气；过了低电流密度点后，气体的迟滞效应就会大大降低，如图4所示。在拉载前，根据设定值与实际值的差值会进行判断进气流量是否达到所需要求，进气流量达标后会保持电堆稳定运行10～20 s，检测每片电压值是否达标，达标后才可开始拉载。整个判断过程均由自动化程序进行，非紧急情况人为不干预。

图4 气体迟滞时单片电压情况

4.2 温 度

根据现场台架布置情况，增加了氢气侧、空气侧管路长度，可能造成温度采集的不一致性，故需增加多点位温度传感器，并将其中一个或多个温度传感器中设置为控制闭环点，可使温度控制更加准确。增加传感器后，发现在低电流密度点时，温度传感器采集存在误差，但误差在可控范围内。根据原有台架设计，在进入背压阀前的第一个温度传感器采集出的排气温度均高于5℃，如图5，满足原有的设计需求。

图5 氢气侧排气温度传感器数据

4.3 压 力

由于管路长度的增加，导致压力控制存在偏移性。现有台架的压力控制是由高精度背压阀和高精度压力传感器形成控制闭环进行，通过增加高精度压力传感器数量，形成多点控制、PID调节加高动态运算控制同步进行，对高精度背压阀形成高度闭环控制。

在冷启动测试过程中，在低进气流量下进行较高压力控制的时候会存在压力控制迟滞，迟滞时间约为1～3 s，对于压力控制影响较小。在较高电流密度下增加进气流量或降低进气流量时，压力控制均在可控范围内，动态效果能够满足快速变化，如图6所示。

图6 低进气流量压力控制曲线

4.4 测试全过程保护

在冷启动测试过程中，所有的单片电压、压差(氢气-空气压差、氢气-冷却水压差、空气-冷却水压差、氢气侧进出口压差、空气侧进出口压差、冷却水侧进出口压差)、温度保护均由进口电堆测试台架进行控制，如图7所示，全过程采用自动化程序进行控制，以减少人为操作过程的不确定因素。

图7 测试过程保护数据参数

5 结 论

介绍并分析了国内外关于大功率电堆冷启动测试的相关研究内容，并结合部分研究成果，从成本角度出发，采用进口电堆测试台和国产环境舱的匹配方案，设计了一套舱内冷却系统，搭建了大功率PEMFC电堆冷启动测试平台，并建立相应的测试工艺流程。并成功运用在大功率PEMFC电堆的冷启动测试中，大大降低了成本。

此外发现本次冷启动试验中存在的一些典型问题：低电流密度时进气流量均匀布满流道时间久，堆内温度与测试管道温度传感器距离过长有误差，进气流量不足时压力背压阀控制压力缓慢等因素会影响测试结果。

因此，自开发PEMFC大功率电堆冷启动测试工艺与测试平台还有许多值得改进的地方，在搭建测试平台时，还需综合考虑测试台与环境舱的匹配性，电堆自身冷启动模块的集成度与动态响应，全面提高冷启动测试的成功率。