PEMFC電堆動(dòng)態(tài)工況響應(yīng)性能試驗(yàn)

 

1、試驗(yàn)

 

1.1 、試驗(yàn)設(shè)備

 

試驗(yàn)在自建PEMFC測(cè)試系統(tǒng)平臺(tái)上進(jìn)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(cè)系統(tǒng)組成。試驗(yàn)采用有30個(gè)單電池、活化面積為270cm2的電堆，電堆詳細(xì)參數(shù)見(jiàn)表1。對(duì)于氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)，來(lái)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(jìn)入電堆陽(yáng)極流道，陰極反應(yīng)產(chǎn)生的水?dāng)U散到陽(yáng)極為氫氣增濕。陽(yáng)極氣體壓力由控制器控制，并與外部負(fù)載有關(guān)。同時(shí)電堆陽(yáng)極運(yùn)行于死端模式，通過(guò)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(guò)過(guò)濾器由鼓風(fēng)機(jī)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(jìn)入電堆之前，采用博純加濕器FC300對(duì)干空氣進(jìn)行加濕，電堆陰極出口濕空氣為加濕器提供濕蒸汽。兩個(gè)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(yùn)行在目標(biāo)工作溫度，包含兩個(gè)回路：第一個(gè)回路裝有PTC加熱器，主要用于電堆低溫啟動(dòng)模式；第二個(gè)回路包括散熱器和風(fēng)扇，用于電堆的正常運(yùn)行模式。兩個(gè)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(jìn)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(yàn)采用了菊水（KIKUSUI）電子負(fù)載7000-04，最大功率達(dá)到7000W。測(cè)試平臺(tái)配有單電池電壓監(jiān)測(cè)設(shè)備（CVM），用于隨時(shí)監(jiān)測(cè)整個(gè)電堆30片單體電池的電壓信息。采用上海尚毅公司的信號(hào)調(diào)理箱以驅(qū)動(dòng)輔助系統(tǒng)（如風(fēng)扇），并為傳感器和閥門(mén)提供24V的電源。同時(shí)采用NI控制器和Veristand軟件進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和試驗(yàn)觀測(cè)。

 

 

圖1 燃料電池系統(tǒng)測(cè)試臺(tái)架原理圖

 

 

表1 試驗(yàn)電堆詳細(xì)參數(shù)

 

1.2、 試驗(yàn)工況及條件

 

試驗(yàn)參考同濟(jì)大學(xué)自制工況，同時(shí)借鑒Hou等測(cè)試工況和方法，并結(jié)合本試驗(yàn)用燃料電池系統(tǒng)測(cè)試平臺(tái)，加載的動(dòng)態(tài)工況電流如圖2所示。整個(gè)動(dòng)態(tài)工況共620s，動(dòng)態(tài)工況包括怠速、部分功率運(yùn)行、額定功率運(yùn)行和超負(fù)荷運(yùn)行等。試驗(yàn)過(guò)程中，將該電流循環(huán)曲線導(dǎo)入燃料電池測(cè)試系統(tǒng)電子負(fù)載控制軟件Wavy中，對(duì)電堆的運(yùn)行條件進(jìn)行設(shè)置，氫氣壓力保持在20kPa（表壓），陽(yáng)極吹掃閥的開(kāi)啟頻率為0.5/4s，空氣質(zhì)量流量設(shè)置為12g/s，陰極進(jìn)氣濕度≥90%，控制電堆冷卻液出口溫度為55——60℃，進(jìn)出口溫差保持在5℃以內(nèi)，同時(shí)實(shí)時(shí)記錄相應(yīng)的電壓響應(yīng)及其他參數(shù)變量。

 

 

圖2 動(dòng)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(jìn)行了2h的穩(wěn)定運(yùn)行，待性能穩(wěn)定后進(jìn)行動(dòng)態(tài)工況的運(yùn)行拉載測(cè)試。圖3為電堆輸出電壓和功率隨運(yùn)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(guò)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(xiàn)[31-33]對(duì)這種現(xiàn)象進(jìn)行了解釋和描述。當(dāng)負(fù)載電流突然增大時(shí)，更多氫離子從陽(yáng)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(jìn)而發(fā)生水淹，造成電堆瞬時(shí)缺氣，并處于瞬時(shí)“饑餓”狀態(tài)，出現(xiàn)電堆電壓下沖現(xiàn)象。然后由于反擴(kuò)散作用從陰極到陽(yáng)極側(cè)，膜重新達(dá)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(shí)，陽(yáng)極電拖效應(yīng)降低，陰極的多余水由于反擴(kuò)散的作用使膜更加濕潤(rùn)，導(dǎo)致歐姆內(nèi)阻降低，同時(shí)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(gè)動(dòng)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(dá)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?yàn)殡A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(dá)到平衡狀態(tài)，電堆性能輸出更容易達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。對(duì)于電堆的功率響應(yīng)，在電流階躍轉(zhuǎn)換過(guò)程中，由于電壓輸出采集的滯后性，功率會(huì)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(shí)產(chǎn)生，最大輸出值為3785W，這是由于電流突然階躍變大過(guò)程中，電堆內(nèi)部轉(zhuǎn)移的電荷更多，瞬態(tài)滯后性稍長(zhǎng)，上調(diào)量更大且更明顯，但總體持續(xù)時(shí)間都很短，在1s以內(nèi)，此后功率的變化趨勢(shì)跟隨電壓的輸出趨勢(shì)，最后達(dá)到穩(wěn)定的輸出狀態(tài)，直到下一個(gè)階躍引起相應(yīng)的變化。

 

 

圖3 電堆電壓和功率隨動(dòng)態(tài)工況的運(yùn)行變化

 

圖4是全動(dòng)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(shí)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(shì)，但是在超負(fù)荷（200A）運(yùn)行狀態(tài)下，單電池之間電壓波動(dòng)更加明顯，特別是單電池最低電壓，當(dāng)動(dòng)態(tài)工況運(yùn)行至500s時(shí)，單電池最低電壓開(kāi)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(yùn)行穩(wěn)定性降低，進(jìn)而會(huì)引起耐久性的下降，因此，在實(shí)際運(yùn)行過(guò)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(shí)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(huì)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(jì)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(dòng)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(shí)際工況下，低電流區(qū)間內(nèi)氣體（氫氣）利用率偏低，會(huì)引起較大的氫氣浪費(fèi)，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(dòng)態(tài)工況下氣體供應(yīng)和電堆進(jìn)出口冷卻液溫度情況。在動(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中，吹掃閥按照設(shè)定頻率開(kāi)啟，故電堆氫氣壓力出現(xiàn)周期性波動(dòng)，但氫氣進(jìn)氣壓力基本維持在20kPa（相對(duì)壓力）。空氣質(zhì)量流量也基本上保持在12g/s，同時(shí)陰極進(jìn)氣相對(duì)濕度保持在90%以上，陰極對(duì)應(yīng)進(jìn)堆壓力約為15kPa（相對(duì)壓力）。即使在氫氣吹掃閥的開(kāi)啟時(shí)刻，氫氣進(jìn)氣瞬時(shí)壓力增加，最高達(dá)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(jī)械強(qiáng)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(yùn)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(dá)到了62℃。此外，電堆冷卻液進(jìn)出口溫度的變化趨勢(shì)基本相同，小電流下進(jìn)出口溫差較小，大電流下進(jìn)出口溫差較大，特別是在200A運(yùn)行狀況下，進(jìn)出口溫差持續(xù)增大，但也低于5℃，滿足試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)值要求，同時(shí)也保證了燃料電池在整個(gè)反應(yīng)截面積上的溫度梯度，降低了熱應(yīng)力對(duì)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(jìn)氣流量、濕度、冷卻液進(jìn)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(dòng)態(tài)工況運(yùn)行過(guò)程中，電池本身材料和內(nèi)部結(jié)構(gòu)會(huì)影響燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)及傳熱傳質(zhì)的動(dòng)態(tài)過(guò)程。另外，燃料電池系統(tǒng)供氣特性及系統(tǒng)控制策略也會(huì)對(duì)電池的動(dòng)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(yùn)行參數(shù)及控制策略等密切相關(guān)。本文參考同濟(jì)大學(xué)自定義測(cè)試工況，對(duì)低壓燃料電池系統(tǒng)在車載工況下的動(dòng)態(tài)運(yùn)行響應(yīng)特性進(jìn)行了試驗(yàn)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(dòng)態(tài)運(yùn)行過(guò)程中電堆單電池之間的均衡性變化，最后研究了動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)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(dòng)態(tài)工況下的性能輸出和耐久性試驗(yàn)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?cái)?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(shí)刻，電堆的均衡性變化很大，出現(xiàn)了瞬時(shí)激增的現(xiàn)象，總體上電流階躍降低時(shí)刻的C v突變值為7%——9%，而電流階躍增大時(shí)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(yáng)極側(cè)失水造成的歐姆阻抗增大也會(huì)加劇單電池電壓輸出的不均勻性。同時(shí)也對(duì)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(yùn)行狀況下，C v值呈現(xiàn)持續(xù)增大的趨勢(shì)，表明電堆的均衡性逐漸變差，最高達(dá)到了4.95%。此時(shí)，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(shí)刻及其前后時(shí)刻各個(gè)單電池的電壓情況。藍(lán)色線條為C v為4.95%時(shí)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?yàn)榍岸藥灼瑔坞姵厝菀壮霈F(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(yùn)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(shí)，電堆內(nèi)各單電池之間電壓響應(yīng)的不同會(huì)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(duì)應(yīng)的電壓，而另外一些單電池依然處于上一時(shí)刻狀態(tài)，C v值達(dá)到19.41%，單電池之間對(duì)電流的敏感性差異造成了變載過(guò)程中出現(xiàn)巨大的不一致性。變載完后，此時(shí)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(dá)到0.38%。

 

 

圖7 C v值最大及其前后時(shí)刻單電池電壓

 

圖8為不同電流且電堆穩(wěn)定運(yùn)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(jìn)氣歧管結(jié)構(gòu)導(dǎo)致進(jìn)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(huì)進(jìn)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(yùn)行時(shí)，此時(shí)空氣的化學(xué)計(jì)量比為6.57，單電池電壓并未出現(xiàn)明顯的下降趨勢(shì)，呈現(xiàn)出較高的均衡性，故對(duì)于低壓燃料電池系統(tǒng)，應(yīng)該通入更高化學(xué)計(jì)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性

 

在動(dòng)態(tài)運(yùn)行響應(yīng)過(guò)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(guò)一個(gè)過(guò)渡過(guò)程達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，因此，研究動(dòng)態(tài)響應(yīng)變化過(guò)程特性具有重要意義。針對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)試驗(yàn)，探究了3個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)參數(shù)，即電堆電壓最大階躍幅值、電壓波動(dòng)率和動(dòng)態(tài)阻抗因子。

 

燃料電池電堆運(yùn)行過(guò)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(dòng)態(tài)工況響應(yīng)過(guò)程中單電池的均衡性變化，對(duì)提高運(yùn)行過(guò)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(shí)，動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的電壓波動(dòng)率，可由式(4)表示。由于氣體的快速補(bǔ)充，初始階段電壓波動(dòng)率隨著時(shí)間而快速減小，然后隨著陰極水的反擴(kuò)散和膜中水合作用，電壓波動(dòng)率變得緩慢，并逐漸趨于0。電壓下沖的波動(dòng)率明顯大于電壓上調(diào)的波動(dòng)率。上調(diào)的波動(dòng)率幾乎都處于0.02以下或者在很短的時(shí)間內(nèi)達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)（＜0.02)。電壓下沖的波動(dòng)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(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（＜0.02），即燃料電池在階躍動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性。

 

 

圖10 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中電堆電壓的波動(dòng)率

 

 

圖11表示燃料電池動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)阻抗值，動(dòng)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(shí)的動(dòng)態(tài)阻抗大于電壓上調(diào)時(shí)的變化，最大的動(dòng)態(tài)阻抗為12.48mΩ。此外，在整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程，動(dòng)態(tài)阻抗都處于降低的過(guò)程中，說(shuō)明電堆電壓都處于向穩(wěn)態(tài)變化的過(guò)程中。由于從I3=17A時(shí)階躍電流（68A）較小，所以整個(gè)變化過(guò)程較緩慢，但整個(gè)動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程動(dòng)態(tài)阻抗因子在20s內(nèi)都小于2mΩ，同時(shí)電堆的動(dòng)態(tài)阻抗值也持續(xù)偏小。

 

 

圖11 動(dòng)態(tài)響應(yīng)過(guò)程中的動(dòng)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(tái)架上對(duì)車載動(dòng)態(tài)工況進(jìn)行了試驗(yàn)探究，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析了動(dòng)態(tài)工況下的輸出特性、單電池電壓均衡性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，總結(jié)如下。

 

（1）電流階躍變化過(guò)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(dá)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(yùn)行下電堆均衡性下降。超負(fù)荷運(yùn)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(yùn)行狀態(tài)下正常運(yùn)行，對(duì)于低壓燃料電池系統(tǒng)，應(yīng)該供應(yīng)大化學(xué)計(jì)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(duì)電壓輸出的影響更大。同時(shí)整個(gè)動(dòng)態(tài)過(guò)程電壓響應(yīng)的上調(diào)和下沖值都能在10s內(nèi)達(dá)到一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的狀態(tài)（電壓波動(dòng)率＜2%），具有良好的動(dòng)態(tài)輸出性能。

 

本研究通過(guò)研究低壓燃料電池系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)輸出響應(yīng)測(cè)試，為燃料電池電堆實(shí)際車載運(yùn)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(jìn)一步分析負(fù)載動(dòng)態(tài)變化后氣體供應(yīng)的控制策略等方面。