乘用車用燃料電池系統(tǒng)的啟停耐久實驗

彭祖雄,李偉明,李劍錚

(廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院,廣東 廣州 511434)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種將化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的裝置,是具有一定競爭力的汽車動力電源[1],主要優(yōu)勢為:①產(chǎn)物為純凈水,無污染物排放;②不受卡諾循環(huán)限制,能量轉(zhuǎn)換效率高,理論能量轉(zhuǎn)化效率可達85%～90%,遠高于傳統(tǒng)熱機;③屬于靜態(tài)能量轉(zhuǎn)換設(shè)備,噪音小;④功率密度高,結(jié)構(gòu)緊湊、空間占比小,適合用作移動電源。盡管具有上述優(yōu)點,但PEMFC 的全面商用化也存在一些挑戰(zhàn),如系統(tǒng)壽命偏短。有研究表明[2-3],燃料電池汽車的啟停、怠速、變載以及大功率運行對電池壽命有很大的影響。所有車用工況中,頻繁的變載和啟停是影響燃料電池壽命的兩大主要因素,占比分別為56.5%和33.0%。此外,大功率和怠速工況對燃料電池壽命影響的占比分別為5.80%和4.70%。

本文作者根據(jù)乘用車使用特性,設(shè)計兩種啟停耐久實驗方案,開展燃料電池系統(tǒng)啟停臺架耐久實驗,并從理論上解析啟停工況對燃料電池壽命的影響機理,以期為燃料電池系統(tǒng)設(shè)計提供理論和實驗支撐。

1 實驗

1.1 啟停工況設(shè)計

一般燃料電池乘用車在使用過程中,由于控制策略或臨時停車,存在一種短時間的啟停工況;還有一種是車輛車庫中停一晚后次日再使用的長時間啟停工況。短時間啟停工況單次啟停時間約48 s,具體步驟見表1,定義為“正常啟停”。燃料電池汽車長時間靜置,一般會有空氣進入陰極流道,并滲透至陽極的情況。實際測試中,如果靜置12 h 以上,會導(dǎo)致測試周期較長,因此,為了模擬長時間的停機工況,引入停機后陰極脈沖吹掃,加速空氣滲透至陽極。設(shè)計的長時間啟停具體步驟見表1,其中第1 步至第5 步啟停總時長約為200 s,關(guān)機后進行約1 300 s 的陰極脈沖吹掃,單次啟停時間約為1 500 s。這種長時間的啟停定義為“空空啟停”。

表1 正常啟停與空空啟停工況對比Table 1 Comparison of the normal start-stop and air to air startstop condition

1.2 啟停耐久實驗

將上述兩種啟停工況分別在同一種乘用車燃料電池系統(tǒng)上開展啟停耐久實驗。該系統(tǒng)為本文作者所在單位自主開發(fā)的GFM60E1 燃料電池系統(tǒng),最大峰值功率為70 kW。實驗過程中,定期測試燃料電池堆的極化曲線,以分析燃料電池系統(tǒng)的性能狀態(tài)。該實驗不但可以檢驗燃料電池系統(tǒng)在兩種啟停工況下的耐久壽命,也能比較兩種工況對電池系統(tǒng)壽命的影響程度。兩種啟停工況所用的燃料電池系統(tǒng)方案、零部件選型及升降載速率等控制策略,均保持一致。

2 結(jié)果與討論

2.1 正常啟停實驗結(jié)果與分析

正常啟停實測循環(huán)工況曲線如圖1 所示。

從圖1 可知,每次啟動時都有一小段零負載的高電位出現(xiàn)。燃料電池在零負載高電位的時間內(nèi),反應(yīng)氣體分壓不斷增大,反應(yīng)氣體在質(zhì)子交換膜之間的滲透率也變大[4-5];當氧氣滲透到陽極時,會生成雙氧水,并擴散至膜內(nèi),膜中的羧酸基團與OH·發(fā)生化學(xué)反應(yīng),導(dǎo)致質(zhì)子交換膜腐蝕降解,膜變薄且不平整,加速燃料電池壽命的衰減,具體機理如下:

圖1 正常啟停實測循環(huán)工況曲線Fig.1 Measured cycle condition curves of the normal start-stop

零負載下的高電位是正常啟停的主要衰減機理。正常啟停耐久實驗前后的極化曲線如圖2 所示。

圖2 正常啟停耐久實驗前后的極化曲線Fig.2 Polarization curves before and after normal start-stop durability experiment

從圖2 可知,正常啟停耐久實驗前,額定點(900 mA/cm2處)平均單體電壓為677 mV;31 500 次正常啟停耐久實驗后,額定點平均單體電壓為662 mV。累計經(jīng)過31 500 次共計420 h 的正常啟停耐久實驗,電堆的額定點平均單體電壓僅衰減2.21%,平均衰減速率為0.036 mV/h。短時間啟停產(chǎn)生的零負載下的高電位,對燃料電池系統(tǒng)壽命影響較小。

2.2 空空啟停實驗結(jié)果與分析

空空啟停實測循環(huán)工況曲線如圖3 所示。

從圖3 可知,空空啟停在啟動時也會出現(xiàn)短暫零負載高電位的時段。同時,停機過程中,隨著陰極脈沖吹掃,出現(xiàn)了鋸齒狀的電壓波動。這種現(xiàn)象就是實車長期停機后,由于陰極腔道的氣密性不夠,空氣進入陰極流道,并滲透至陽極,與陽極中殘留的氫氣形成氫氧界面,產(chǎn)生的非工作狀態(tài)下的電壓上升現(xiàn)象。氫氧界面會腐蝕催化層,加速電池壽命的衰減。由此可知,氫氧界面和零負載下的高電位是空空啟停的兩大主要衰減機理。

圖3 空空啟停實測循環(huán)工況曲線Fig.3 Measured cycle condition curves of the air to air startstop

空空啟停耐久實驗前后的極化曲線和功率對比分別見圖4、圖5。

圖4 空空啟停耐久實驗前后極化曲線Fig.4 Polarization curves before and after air to air start-stop durability experiment

從圖4 可知,空空啟停耐久實驗前,額定點(900 mA/cm2處)平均單體電壓為652 mV;450 次正常啟停耐久實驗后,額定點平均單體電壓為571 mV。經(jīng)過450 次約288 h 的空空啟停耐久實驗,電堆的額定點平均單體電壓衰減達12.42%,平均衰減速率為0.432 mV/h。從圖5 可知,450 次空空啟停實驗后,燃料電池堆的輸出功率僅為52 kW,功率能力衰減至無法滿足實車需求。這表明,由于空氣滲透形成的氫氧界面,加速了燃料電池系統(tǒng)壽命的衰減。

圖5 空空啟停耐久實驗前后功率對比Fig.5 Power comparison before and after air to air start-stop durability experiment

3 結(jié)論

本文作者開展的燃料電池系統(tǒng)啟停臺架耐久實驗結(jié)果表明,高電位是正常啟停對電池壽命的主要影響因素,而氫氧界面是空空啟停對電池壽命的主要影響因素。由于空氣滲透形成的氫氧界面加速了燃料電池系統(tǒng)壽命的衰減,空空啟停對電池使用壽命的影響大于正常啟停。空空啟停耐久的燃料電池堆,額定點的平均單體電壓衰減率達12.42%,平均衰減速率達0.432 mV/h;正常啟停耐久的燃料電池堆的額定點平均單體電壓的衰減率僅為2.21%,平均衰減速率為0.036 mV/h。在燃料電池系統(tǒng)方案設(shè)計、零部件選型及控制策略開發(fā)上,應(yīng)避免停機時氫氧界面的出現(xiàn),同時避免啟動時高電位的出現(xiàn),以延長電池的使用壽命。