1、試驗

 

1.1 、試驗設(shè)備

 

試驗在自建PEMFC測試系統(tǒng)平臺上進行，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和框架如圖1所示。燃料電池系統(tǒng)主要由燃料電池電堆、氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、空氣供應(yīng)子系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)、控制及監(jiān)測系統(tǒng)組成。試驗采用有30個單電池、活化面積為270cm2的電堆，電堆詳細參數(shù)見表1。對于氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)，來自高壓氫罐（15MPa）的高純氫氣（大于99.99%）經(jīng)減壓閥和比例閥減壓后進入電堆陽極流道，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水?dāng)U散到陽極為氫氣增濕。陽極氣體壓力由控制器控制，并與外部負(fù)載有關(guān)。同時電堆陽極運行于死端模式，通過控制吹掃閥，可以周期性地排出多余的水和殘余氣體，有助于電堆性能的恢復(fù)和提高。在空氣供應(yīng)子系統(tǒng)，空氣經(jīng)過過濾器由鼓風(fēng)機供給電堆陰極，并為電堆陰極提供氧氣。為了保證PEMFC電堆的輸出性能，在進入電堆之前，采用博純加濕器FC300對干空氣進行加濕，電堆陰極出口濕空氣為加濕器提供濕蒸汽。兩個電磁閥由控制器控制，以確保電堆陰極入口的濕度。熱管理子系統(tǒng)旨在使電堆運行在目標(biāo)工作溫度，包含兩個回路：第一個回路裝有PTC加熱器，主要用于電堆低溫啟動模式；第二個回路包括散熱器和風(fēng)扇，用于電堆的正常運行模式。兩個電磁閥用于控制冷卻液回路。冷卻水泵循環(huán)回路中的冷卻劑（去離子水）將電堆產(chǎn)生的熱量送入散熱器和風(fēng)扇進行耗散，使電堆溫度保持在目標(biāo)值范圍內(nèi)。所有傳感器均能在-20℃以下工作，溫度、壓力、濕度傳感器的精度分別為0.5%、0.25%和0.5%。在中心控制和監(jiān)控子系統(tǒng)中，試驗采用了菊水（KIKUSUI）電子負(fù)載7000-04，最大功率達到7000W。測試平臺配有單電池電壓監(jiān)測設(shè)備（CVM），用于隨時監(jiān)測整個電堆30片單體電池的電壓信息。采用上海尚毅公司的信號調(diào)理箱以驅(qū)動輔助系統(tǒng)（如風(fēng)扇），并為傳感器和閥門提供24V的電源。同時采用NI控制器和Veristand軟件進行實時控制和試驗觀測。

 

 

圖1 燃料電池系統(tǒng)測試臺架原理圖

 

 

表1 試驗電堆詳細參數(shù)

 

1.2、 試驗工況及條件

 

試驗參考同濟大學(xué)自制工況，同時借鑒Hou等測試工況和方法，并結(jié)合本試驗用燃料電池系統(tǒng)測試平臺，加載的動態(tài)工況電流如圖2所示。整個動態(tài)工況共620s，動態(tài)工況包括怠速、部分功率運行、額定功率運行和超負(fù)荷運行等。試驗過程中，將該電流循環(huán)曲線導(dǎo)入燃料電池測試系統(tǒng)電子負(fù)載控制軟件Wavy中，對電堆的運行條件進行設(shè)置，氫氣壓力保持在20kPa（表壓），陽極吹掃閥的開啟頻率為0.5/4s，空氣質(zhì)量流量設(shè)置為12g/s，陰極進氣濕度≥90%，控制電堆冷卻液出口溫度為55——60℃，進出口溫差保持在5℃以內(nèi)，同時實時記錄相應(yīng)的電壓響應(yīng)及其他參數(shù)變量。

 

 

圖2 動態(tài)工況負(fù)載電流圖

 

2、結(jié)果與分析

 

2.1、電堆性能隨工況的變化

 

PEMFC電堆首先進行了2h的穩(wěn)定運行，待性能穩(wěn)定后進行動態(tài)工況的運行拉載測試。圖3為電堆輸出電壓和功率隨運行工況的變化情況。電堆電壓和功率跟隨電子負(fù)載的需求（即電流）的變化而發(fā)生相應(yīng)變化，在電流階躍變化過程中，電壓和功率都出現(xiàn)了明顯的上調(diào)和下沖現(xiàn)象，文獻[31-33]對這種現(xiàn)象進行了解釋和描述。當(dāng)負(fù)載電流突然增大時，更多氫離子從陽極遷移到陰極而引起短暫的膜失水（電滲拖拽作用），導(dǎo)致歐姆阻抗增加，陰極水增多，進而發(fā)生水淹，造成電堆瞬時缺氣，并處于瞬時“饑餓”狀態(tài)，出現(xiàn)電堆電壓下沖現(xiàn)象。然后由于反擴散作用從陰極到陽極側(cè)，膜重新達到水合狀態(tài)，氣體供應(yīng)恢復(fù)穩(wěn)定，電壓性能逐漸恢復(fù)到穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)負(fù)載電流突然下降時，陽極電拖效應(yīng)降低，陰極的多余水由于反擴散的作用使膜更加濕潤，導(dǎo)致歐姆內(nèi)阻降低，同時由于氣體供應(yīng)量更加充足，造成電堆性能出現(xiàn)上調(diào)現(xiàn)象，隨著電堆內(nèi)部水熱傳遞和氣體傳質(zhì)趨于穩(wěn)定，電堆的輸出性能逐漸恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。電堆在整個動態(tài)工況下輸出良好，在額定和超負(fù)荷情況下也能保持良好的輸出狀態(tài)，電堆的最大穩(wěn)態(tài)輸出功率達到了3600W，電堆電壓為18V。此外，電堆的下沖現(xiàn)象比上調(diào)現(xiàn)象更加明顯，主要是因為階躍增加的電流略大于階躍降低的電流。電流越小，電堆陰極產(chǎn)生的水越少，膜水合和氣體供應(yīng)更容易達到平衡狀態(tài)，電堆性能輸出更容易達到穩(wěn)定狀態(tài)。對于電堆的功率響應(yīng)，在電流階躍轉(zhuǎn)換過程中，由于電壓輸出采集的滯后性，功率會出現(xiàn)瞬態(tài)上調(diào)和下沖，上調(diào)現(xiàn)象更加明顯，最大上調(diào)量在電流從67A變化到170A時產(chǎn)生，最大輸出值為3785W，這是由于電流突然階躍變大過程中，電堆內(nèi)部轉(zhuǎn)移的電荷更多，瞬態(tài)滯后性稍長，上調(diào)量更大且更明顯，但總體持續(xù)時間都很短，在1s以內(nèi)，此后功率的變化趨勢跟隨電壓的輸出趨勢，最后達到穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，直到下一個階躍引起相應(yīng)的變化。

 

 

圖3 電堆電壓和功率隨動態(tài)工況的運行變化

 

圖4是全動態(tài)工況下，單電池最高電壓、最低電壓、平均電壓及電堆效率隨時間的變化情況。單電池的平均電壓、最高電壓、最低電壓基本保持相似的輸出趨勢，但是在超負(fù)荷（200A）運行狀態(tài)下，單電池之間電壓波動更加明顯，特別是單電池最低電壓，當(dāng)動態(tài)工況運行至500s時，單電池最低電壓開始持續(xù)下降，下降到0.486V，與最高單電池電壓（0.637V）相差0.151V，而平均電壓為0.6V，單電池電壓輸出的均衡性持續(xù)變差，電堆的運行穩(wěn)定性降低，進而會引起耐久性的下降，因此，在實際運行過程中應(yīng)該避免該現(xiàn)象的出現(xiàn)。最低單電池電壓出現(xiàn)在第一片單電池，這是由于大電流情況下單電池出現(xiàn)了水淹狀況，導(dǎo)致氣體傳質(zhì)受阻，引起供氣不足，單電池性能輸出下降。在實際的車載燃料電池大功率電堆中，單電池由于氣體分布的不均勻性可能引起更大的性能輸出差異，不僅會造成單電池輸出性能的降低，甚至?xí)鸱礃O現(xiàn)象。電堆效率的計算如式(1)所示。

 

 

圖4 單電池最高、最低、平均電壓及電堆效率隨工況動態(tài)的變化

 

 

式中，V標(biāo)為燃料電池標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的可逆電壓，V標(biāo)=1.23V。故電堆最高效率在低電流區(qū)間取得，最大為72.5%，最低效率在高電流區(qū)間取得，最低效率為47.5%。但在實際工況下，低電流區(qū)間內(nèi)氣體（氫氣）利用率偏低，會引起較大的氫氣浪費，所以此低壓燃料電池系統(tǒng)氣體供應(yīng)需特別優(yōu)化。

 

圖5展示了動態(tài)工況下氣體供應(yīng)和電堆進出口冷卻液溫度情況。在動態(tài)運行過程中，吹掃閥按照設(shè)定頻率開啟，故電堆氫氣壓力出現(xiàn)周期性波動，但氫氣進氣壓力基本維持在20kPa（相對壓力）。空氣質(zhì)量流量也基本上保持在12g/s，同時陰極進氣相對濕度保持在90%以上，陰極對應(yīng)進堆壓力約為15kPa（相對壓力）。即使在氫氣吹掃閥的開啟時刻，氫氣進氣瞬時壓力增加，最高達到34kPa，也依然維持膜兩側(cè)壓差在50kPa的范圍內(nèi)，保證膜電極的機械強度。電堆冷卻液出口溫度總體上維持在55——60℃之內(nèi)，但在超負(fù)荷運行情形下，電堆產(chǎn)熱量大，電堆出口冷卻液溫度上升明顯，最高達到了62℃。此外，電堆冷卻液進出口溫度的變化趨勢基本相同，小電流下進出口溫差較小，大電流下進出口溫差較大，特別是在200A運行狀況下，進出口溫差持續(xù)增大，但也低于5℃，滿足試驗?zāi)繕?biāo)值要求，同時也保證了燃料電池在整個反應(yīng)截面積上的溫度梯度，降低了熱應(yīng)力對膜電極的影響，增加了燃料電池電堆的耐久性。

 

 

圖5 氫氣壓力、空氣進氣流量、濕度、冷卻液進出口溫度隨工況的變化

 

2.2、單電池電壓均衡性

 

質(zhì)子交換膜燃料電池在動態(tài)工況運行過程中，電池本身材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會影響燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)及傳熱傳質(zhì)的動態(tài)過程。另外，燃料電池系統(tǒng)供氣特性及系統(tǒng)控制策略也會對電池的動態(tài)響應(yīng)性能和耐久性造成影響。具體的影響方式和程度又與具體的負(fù)載變化（工況變化）、燃料電池的材料及結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)運行參數(shù)及控制策略等密切相關(guān)。本文參考同濟大學(xué)自定義測試工況，對低壓燃料電池系統(tǒng)在車載工況下的動態(tài)運行響應(yīng)特性進行了試驗研究。首先分析了電堆的輸出電壓和功率、反應(yīng)物供氣流量/壓力響應(yīng)和冷卻液溫度等變化情況，接著討論了動態(tài)運行過程中電堆單電池之間的均衡性變化，最后研究了動態(tài)響應(yīng)過程中出現(xiàn)的上調(diào)和下沖特性等。以期為燃料電池電堆在動態(tài)工況下的性能輸出和耐久性試驗研究提供相應(yīng)參考。

 

燃料電池單電池之間電壓均衡性差異可用電壓差異系數(shù)C v表示，如式(2)所示。

 

式中，Vi為第i片單電池輸出電壓；為單電池平均電壓；N為單電池數(shù)量。圖6為單電池電壓差異系數(shù)C v值隨工況的變化情況。電流階躍變化時刻，電堆的均衡性變化很大，出現(xiàn)了瞬時激增的現(xiàn)象，總體上電流階躍降低時刻的C v突變值為7%——9%，而電流階躍增大時刻的C v突變值在11%——13%，C v出現(xiàn)更加明顯的變化量，這是由于電流突增引起單電池之間更大的氣體供應(yīng)不均，膜陽極側(cè)失水造成的歐姆阻抗增大也會加劇單電池電壓輸出的不均勻性。同時也對應(yīng)于圖7中電堆電壓更加明顯的下沖現(xiàn)象。

 

 

圖6 C v值隨工況的變化

 

燃料電池電堆在超負(fù)荷運行狀況下，C v值呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢，表明電堆的均衡性逐漸變差，最高達到了4.95%。此時，電流出現(xiàn)了階躍變化，造成電堆均衡性急劇變化，如圖7所示，為C v最大時刻及其前后時刻各個單電池的電壓情況。藍色線條為C v為4.95%時刻單電池電壓，可以看到電堆前端幾片單電池和中間單電池電壓呈現(xiàn)較低狀態(tài)，主要是因為前端幾片單電池容易出現(xiàn)水淹狀況，造成性能下降。中間單電池由于溫度較高，使得膜更易失水，內(nèi)阻增大，輸出性能較低。故燃料電池在超負(fù)荷運行情形下一定要保證氣體供應(yīng)充足，避免電堆不均衡性的增加。當(dāng)負(fù)載電流出現(xiàn)階躍變化時，電堆內(nèi)各單電池之間電壓響應(yīng)的不同會造成更大的不均衡性，如紅色線條所示，即一些單電池已經(jīng)變化到變載后電流（5A）所對應(yīng)的電壓，而另外一些單電池依然處于上一時刻狀態(tài)，C v值達到19.41%，單電池之間對電流的敏感性差異造成了變載過程中出現(xiàn)巨大的不一致性。變載完后，此時電子負(fù)載控制為小電流情形，電堆單電池之間輸出性能良好，電壓均衡性很好，C v值達到0.38%。

 

 

圖7 C v值最大及其前后時刻單電池電壓

 

圖8為不同電流且電堆穩(wěn)定運行情況下各單電池電壓分布圖。隨著拉載電流的增加，單電池電壓差異系數(shù)C v變大，即單電池電壓均衡性下降，這是由于電堆進氣歧管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致進入每片單電池的氣體流量并不均勻，其次拉載電流的增加造成反應(yīng)物消耗量增加，會進一步造成單電池之間輸出性能的差異性，造成C v值增加，電堆均衡性下降。當(dāng)電堆在170A額定電流下運行時，此時空氣的化學(xué)計量比為6.57，單電池電壓并未出現(xiàn)明顯的下降趨勢，呈現(xiàn)出較高的均衡性，故對于低壓燃料電池系統(tǒng)，應(yīng)該通入更高化學(xué)計量比的氣體量以維持燃料電池的輸出性能。

 

 

圖8 不同電流值下的單電池電壓

 

2.3、電堆動態(tài)響應(yīng)特性

 

在動態(tài)運行響應(yīng)過程中，電堆輸出電壓將隨著電流的階躍變化而發(fā)生響應(yīng)輸出變化，并經(jīng)過一個過渡過程達到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，研究動態(tài)響應(yīng)變化過程特性具有重要意義。針對動態(tài)響應(yīng)試驗，探究了3個動態(tài)響應(yīng)參數(shù)，即電堆電壓最大階躍幅值、電壓波動率和動態(tài)阻抗因子。

 

燃料電池電堆運行過程中單電池之間均衡性差異與燃料電池的壽命和可靠性有很大關(guān)系，具體分析動態(tài)工況響應(yīng)過程中單電池的均衡性變化，對提高運行過程中的均衡性和燃料電池的耐久性具有重要意義。

 

 

圖9 電堆電壓最大上調(diào)和下沖值

 

 

圖10為電流階躍變化時，動態(tài)響應(yīng)過程中的電壓波動率，可由式(4)表示。由于氣體的快速補充，初始階段電壓波動率隨著時間而快速減小，然后隨著陰極水的反擴散和膜中水合作用，電壓波動率變得緩慢，并逐漸趨于0。電壓下沖的波動率明顯大于電壓上調(diào)的波動率。上調(diào)的波動率幾乎都處于0.02以下或者在很短的時間內(nèi)達到穩(wěn)定狀態(tài)（＜0.02)。電壓下沖的波動率最高值為0.063，但電壓響應(yīng)的下沖變化能在10s內(nèi)使輸出電壓達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)（＜0.02），即燃料電池在階躍動態(tài)響應(yīng)過程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

 

 

圖10 動態(tài)響應(yīng)過程中電堆電壓的波動率

 

 

圖11表示燃料電池動態(tài)響應(yīng)過程中的動態(tài)阻抗值，動態(tài)阻抗可由式(5)表示，ΔI為電流階躍變化值。雖然階躍上升的電流大于階躍下降的電流，但由于電壓變化幅值較大，總體上下沖時的動態(tài)阻抗大于電壓上調(diào)時的變化，最大的動態(tài)阻抗為12.48mΩ。此外，在整個動態(tài)過程，動態(tài)阻抗都處于降低的過程中，說明電堆電壓都處于向穩(wěn)態(tài)變化的過程中。由于從I3=17A時階躍電流（68A）較小，所以整個變化過程較緩慢，但整個動態(tài)響應(yīng)過程動態(tài)阻抗因子在20s內(nèi)都小于2mΩ，同時電堆的動態(tài)阻抗值也持續(xù)偏小。

 

 

圖11 動態(tài)響應(yīng)過程中的動態(tài)阻抗圖

 

 

3 、結(jié)論

 

本文利用低壓燃料電池系統(tǒng)在燃料電池臺架上對車載動態(tài)工況進行了試驗探究，根據(jù)試驗結(jié)果分析了動態(tài)工況下的輸出特性、單電池電壓均衡性和動態(tài)響應(yīng)特性，總結(jié)如下。

 

（1）電流階躍變化過程中，電堆單電池電壓均衡性出現(xiàn)激增現(xiàn)象，最大C v值達到19.41%，電堆輸出功率也瞬間突增變化到3785W。隨著電流的升高，穩(wěn)定運行下電堆均衡性下降。超負(fù)荷運行狀態(tài)下，電堆前端和中間處單電池電壓輸出較低，為保證燃料電池在高負(fù)荷運行狀態(tài)下正常運行，對于低壓燃料電池系統(tǒng)，應(yīng)該供應(yīng)大化學(xué)計量比的氣體以保證電堆的輸出性能。

 

（2）電堆電壓下沖的最大幅值總是大于電堆電壓上調(diào)的最大幅值，即電流階躍增大對電壓輸出的影響更大。同時整個動態(tài)過程電壓響應(yīng)的上調(diào)和下沖值都能在10s內(nèi)達到一個相對穩(wěn)定的狀態(tài)（電壓波動率＜2%），具有良好的動態(tài)輸出性能。

 

本研究通過研究低壓燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)輸出響應(yīng)測試，為燃料電池電堆實際車載運行與控制提供參考，以充分發(fā)揮電堆輸出性能并提升其耐久性和可靠性。由于負(fù)載變化后，其氣體供應(yīng)參數(shù)也應(yīng)該改變，后期應(yīng)進一步分析負(fù)載動態(tài)變化后氣體供應(yīng)的控制策略等方面。