燃料電池發(fā)動機額定工況下熱啟動評價指標體系

侯永平，張余東，蔡強真，孫 明

（1.同濟大學 新能源汽車工程中心，上海 201804；2.上海汽車集團股份有限公司，上海 200041）

質(zhì)子交換膜燃料電池具有功率密度大、能量轉(zhuǎn)化效率高、能夠快速啟動、環(huán)保等優(yōu)點，成為目前發(fā)展較快的燃料電池[1]。

隨著質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的不斷改進和生產(chǎn)成本的下降，其產(chǎn)能勢必會增加。然而現(xiàn)實中在對多臺燃料電池發(fā)動機進行挑選時，常常需要一種能夠?qū)ζ湔w性能進行評價的方法。整體性能包含很多方面，如啟動時間、氫氣效率等，因此需要建立相應(yīng)的評價體系，定量地對發(fā)動機整體性能進行評價。另外，評價發(fā)動機性能的優(yōu)劣不僅能夠為企業(yè)的后續(xù)改進提供依據(jù)，還能夠為汽車廠商對發(fā)動機進行選型時提供參考。

當前對燃料電池發(fā)動機的評價分析主要集中在燃料電池整體性能的某一方面，如啟動性能分析、動態(tài)特性分析等，能夠從總體上進行分析評價的研究很少。本文作者檢索了大量文獻，發(fā)現(xiàn)大多是對燃料電池的動態(tài)特性分析，如衛(wèi)星等人研究了電池在不同加濕條件和反應(yīng)氣體流量下的啟動特性[2]，張竹茜和賈力研究了電池在動態(tài)負載變化及啟動過程中性能的響應(yīng)[3]。另外，以往很多成果還比較集中在冷態(tài)啟動性能分析上，如Kazuya Tajiri等人用生成物水的總量作為量化質(zhì)子交換膜燃料電池冷啟動能力的指標，研究了電流密度對冷啟動的影響[4]，Jiao Kui等人研究了電流和溫度分布對質(zhì)子交換膜燃料電池冷啟動性能的影響[5]。

針對燃料電池發(fā)動機的啟動工況，可以建立起相應(yīng)的評價體系。本文主要研究燃料電池發(fā)動機額定功率熱啟動。燃料電池發(fā)動機額定功率熱啟動是指按照廠方的要求，使發(fā)動機在一定功率下工作，當電池堆出口溫度達到正常的工作溫度，即認為此時的發(fā)動機達到熱機狀態(tài)，在此基礎(chǔ)上的啟動即為額定功率熱啟動。

本文通過試驗測得的數(shù)據(jù)，對額定功率熱啟動工況下的FCE功率特性、燃料電池堆電壓特性、氫氣流量特性和氫氣效率進行研究，對各個特性提出了一些特征參數(shù)，最后建立相應(yīng)的評價體系，為后續(xù)各個特征參數(shù)評價權(quán)重的分析以及整體性能的評價提供依據(jù)。

1 FCE功率特性分析

圖1和圖2分別表示FCE1和FCE2在啟動過程中的功率特性。由圖中可知，F(xiàn)CE在啟動過程中可以分為啟動階段和功率進入穩(wěn)態(tài)階段。對于啟動階段，由圖中可以看到FCE1在5 kW時有個功率停留過程，而FCE2的功率在達到10 kW時才出現(xiàn)停留過程。造成這一區(qū)別的主要原因是兩臺發(fā)動機的控制策略不同。另外，F(xiàn)CE1在啟動階段中功率變化速率要比FCE2慢，即曲線的斜率較小。因此，為了定量評價功率變化速率的快慢，定義了一個參數(shù)，即啟動時間。

啟動時間：以發(fā)出指令開始計時，到FCE功率達到額定功率時，這段時間為FCE的額定功率熱啟動時間。

由定義可以算出FCE1 的啟動時間為51 s，而FCE2僅為38 s，這與之前的分析是一致的，即FCE2的功率變化速率比FCE1快，啟動時間短。

對于功率進入穩(wěn)態(tài)階段，從圖1和圖2可以得到：FCE1在進入穩(wěn)態(tài)運行后，功率的波動比較小，而FCE2波動比較大，造成此區(qū)別的原因之一是燃料電池發(fā)動機輔助系統(tǒng)風機轉(zhuǎn)速波動。為了定量評價瞬時功率與額定功率的偏離程度，定義了穩(wěn)態(tài)方差參數(shù)。

穩(wěn)態(tài)方差：發(fā)動機在啟動進入穩(wěn)態(tài)后，恒功率運行過程中瞬時功率值與平均功率值之差的平方的平均值。表達式如下。

式中：var為穩(wěn)態(tài)方差；Pfi為瞬時發(fā)動機功率；Pf為平均功率；tq為啟動時間。

由定義可以求得：FCE1的穩(wěn)態(tài)方差為0.044 4 kW2，而FCE2為0.965 3 kW2。結(jié)果表明FCE1功率波動較小，運行平穩(wěn)。

2 燃料電池堆電壓特性分析

圖3和圖4分別表明FCE1和FCE2的燃料電池堆電壓變化特性。由圖可知，F(xiàn)CE1在啟動時電壓迅速下降，當燃料電池堆電壓達到475 V時出現(xiàn)和功率特性中一樣的停留過程，而FCE2則在470 V左右出現(xiàn)。和功率特性一樣，出現(xiàn)此現(xiàn)象的主要原因為控制策略。在啟動時，F(xiàn)CE1的燃料電池堆電壓變化速率較FCE2大，即FCE1的燃料電池堆電壓曲線斜率比FCE2大（這里的斜率為負值）。一般情況下，燃料電池堆電壓進入穩(wěn)態(tài)的時間與發(fā)動機功率進入穩(wěn)態(tài)的時間不同步，這里提出一個參數(shù)，評價燃料電池堆電壓進入穩(wěn)態(tài)的時間長短。

在求取燃料電池堆電壓進入穩(wěn)態(tài)時間的過程中，需要定義一個燃料電池堆電壓值，以此作為燃料電池堆電壓進入穩(wěn)態(tài)的標尺，即穩(wěn)態(tài)電壓值。

穩(wěn)態(tài)電壓值：運行平穩(wěn)區(qū)間燃料電池堆電壓的算術(shù)平均值，表達式如下。

式中：Ui表示瞬時燃料電池堆電壓；Um表示穩(wěn)態(tài)電壓值。

由穩(wěn)態(tài)電壓值的定義可以求得FCE1為391.479 1 V，而FCE2為371.217 0 V，比FCE1小20 V左右。

得到穩(wěn)態(tài)電壓值后，就可以進一步求出燃料電池堆電壓進入穩(wěn)態(tài)的時間。

電堆電壓穩(wěn)態(tài)時間：瞬時燃料電池堆電壓在穩(wěn)態(tài)電壓4%的范圍內(nèi)波動，并且能夠持續(xù)10 s的起始時刻。

由電堆電壓穩(wěn)態(tài)時間的定義可以算出FCE1為51 s，與之前得到的啟動時間相同，燃料電池堆電壓與功率的同步性較好，而FCE2為57.5 s，比啟動時間要慢，與發(fā)動機功率同步性較差。

另外，由圖3和圖4還可以看到，燃料電池堆電壓在進入穩(wěn)態(tài)后，F(xiàn)CE1的燃料電池堆電壓波動比FCE2小很多。為了定量分析燃料電池堆電壓的最大波動程度，定義了電堆電壓最大波動百分比。

電堆電壓最大波動百分比：發(fā)動機在進入穩(wěn)態(tài)后，燃料電池堆電壓與穩(wěn)態(tài)電壓之差的最大絕對值與穩(wěn)態(tài)電壓之比，表達式如下。

式中：Ui表示瞬時燃料電池堆電壓；Um表示穩(wěn)態(tài)電壓值；pmax表示電堆電壓最大波動百分比。

由定義可以得到，F(xiàn)CE1的電堆電壓最大波動百分比為1.51%，而FCE2為4.01%。FCE2電池堆電壓波動程度比FCE1大得多，這與之前求出的穩(wěn)態(tài)方差相對應(yīng)，從另一個角度說明FCE1的穩(wěn)態(tài)運行比FCE2平穩(wěn)。

3 氫氣流量特性分析

圖5和圖6分別表示FCE1和FCE2氫氣流量變化特性。從圖中可以看出在穩(wěn)態(tài)運行階段，F(xiàn)CE2氫氣流量曲線中出現(xiàn)的波峰數(shù)明顯比FCE1多，主要原因是FCE2的排氫頻率更快。另外，F(xiàn)CE1和FCE2的理論氫氣流量曲線都位于實際氫氣流量下方，這是因為燃料電池發(fā)動機在運行過程中，氫氣不但作為反應(yīng)物，它還在運行過程中排掉氫氧反應(yīng)后產(chǎn)生的水蒸氣、液態(tài)水，以及碳極板腐蝕生成的碳氧化合物等廢物，阻止燃料電池氣孔堵塞和中毒。為了更好地對比FCE1和FCE2的氫氣流量變化，需定義實際氫氣流量和理論氫氣流量兩個參數(shù)。

實際氫氣流量：單位時間內(nèi)的實際氫氣消耗量，表達式如下。

理論氫氣流量：單位時間內(nèi)的理論氫氣消耗量，表達式如下。

式中：Hflow、Hflow0分別表示實際氫氣流量和理論氫氣流量；t表示積分節(jié)點；hi表示實際瞬時氫氣流量；n表示燃料電池堆單電池片數(shù)；Ii表示實際瞬時燃料電池堆電流。

為了能夠更加細化參數(shù)，這里將整個啟動過程分為啟動過程、動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程。其中，啟動過程指的是氫氣流量在啟動時間內(nèi)的變化過程；動態(tài)過程指的是氫氣流量在電堆電壓穩(wěn)態(tài)時間內(nèi)的變化過程；穩(wěn)態(tài)過程指的是FCE啟動結(jié)束進入穩(wěn)態(tài)運行10 min的氫氣流量變化過程。實際氫氣流量和理論氫氣流量的表達式則變?yōu)?/p>

式中：tq表示啟動時間；tu表示電堆電壓穩(wěn)態(tài)時間。

由上面的定義及表達式可以求出FCE1和FCE2在啟動過程、動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程中的實際氫氣流量和理論氫氣流量，計算結(jié)果見表1。

表1 FCE氫氣流量

4 氫氣利用率變化特性分析

為了更加直觀地比較FCE1和FCE2的氫氣使用情況，定義了氫氣利用率參數(shù)。

氫氣利用率：理論氫氣流量與實際氫氣流量之比，表達式如下。

式中：Hflow、Hflow0分別表示實際氫氣流量和理論氫氣流量；Huse表示氫氣利用率。

與氫氣流量特性分析相對應(yīng)，這里也將整個啟動過程劃分為啟動過程、動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程。由氫氣流量特性中得到的理論氫氣流量和實際氫氣流量可以算出各個過程的氫氣利用率，計算結(jié)果見表2。

表2 FCE氫氣利用率

圖7和圖8分別表示FCE1和FCE2的瞬時氫氣利用率變化特性。由圖可知，穩(wěn)態(tài)過程中，F(xiàn)CE2的氫氣利用率出現(xiàn)的波峰數(shù)比FCE1多，這與之前分析的實際氫氣流量變化相對應(yīng)。另外，從圖中還可知，在30 s、40 s處氫氣利用率超過100%，出現(xiàn)這種情況的可能原因是碳極板也參與了反應(yīng)，即碳極板腐蝕，會對燃料電池的性能和壽命造成不良影響，因此有必要計算出這段時間間隔，以利于后續(xù)電堆控制的優(yōu)化。通過計算，得到超標時間段的起止時間見表3。

表3 超標時間段

5 評價體系的建立

由額定功率熱啟動特性分析得到的特征參數(shù)，可以將其劃分為時間相關(guān)、運行品質(zhì)相關(guān)和氫耗相關(guān)3類參數(shù)，其中，啟動時間、電堆電壓穩(wěn)態(tài)時間衡量的是時間長短；穩(wěn)態(tài)方差、電堆電壓最大波動百分比衡量的是發(fā)動機運行平穩(wěn)情況；實際氫氣流量、理論氫氣流量和氫氣利用率衡量的是氫氣消耗情況。另外，按照之前的分析將氫耗參數(shù)細分，從啟動過程、動態(tài)過程和穩(wěn)態(tài)過程3個方面進行分析，建立相應(yīng)的評價體系如圖9所示。

6 結(jié)論

本文以試驗數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對燃料電池發(fā)動機的FCE功率特性、電池堆電壓特性、氫氣流量特性進行定性分析，并在此基礎(chǔ)上運用數(shù)理統(tǒng)計知識和軟件Matlab進行定量化參數(shù)提取，得到能夠區(qū)別各個特性優(yōu)劣的特征參數(shù)，最后對特征參數(shù)進行歸類和整理，得到相應(yīng)的評價指標體系框圖。通過這個評價指標體系框圖，能夠為下一步燃料電池發(fā)動機的評價分析提供參考借鑒。

References)

[1]LARMINIE J，DICKS A. Fuel Cell System Explainer[M].England：John Wile & Sons，Inc，2003：22-24.

[2]衛(wèi)星，樊進宣，林鴻，等.質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)啟動特性的實驗研究[J]. 工程熱物理學報，2009，30(9)：1555-1557.Wei Xing，F(xiàn)an Jinxuan，Lin Hong，et al. Experimental Study on the Dynamic Start-up Characteristics of Proton Exchange Membrane Fuel Cell[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2009，30(9)：1555-1557.(in Chinese)

[3]張竹茜，賈力.質(zhì)子交換膜燃料電池動態(tài)特性實驗研究[J]. 工程熱物理學報， 2009， 30(8)：1399-1401.Zhang Zhuqian，Jia Li. Experimental Study of Pem Fuel Cell Dynamic Behaiors[J]. Journal of Engineering Thermophysics，2009，30(8)：1399-1401. (in Chinese)

[4]TAJIRI K，TABUCHI Y，KAGAMI F，et al. Effects of Operating and Design Parameters on PEFC Cold Start[J].Journal of Power Sources，2007，165(1)：279-286.

[5]Jiao Kui，ALAEFOUR I E，KARIMI G，et al. Cold Start Characteristics of Proton Exchange Membrane Fuel Cells[J]. International Journal of Hydrogen Energy，2011，36(11)：832-845.