客車用燃料電池系統(tǒng)耐久性研究

梁滿志， 范志先， 馮海明， 崔慶虎， 于任雯川

(中通客車股份有限公司, 山東 聊城 252000)

氫燃料電池汽車是我國新能源汽車戰(zhàn)略的重要組成部分,發(fā)達國家紛紛將其列入未來汽車發(fā)展方向。我國也出臺了一系列政策與規(guī)劃引導氫燃料電池技術和市場的進一步發(fā)展，并開展小批量示范運營。但目前國內氫燃料電池汽車在商業(yè)化過程中還存在一些瓶頸問題，如核心技術與國際先進水平仍有差距、產(chǎn)業(yè)鏈相對薄弱、耐久性有待進一步提升等。

1 燃料電池客車技術現(xiàn)狀

1.1 國外技術現(xiàn)狀

國外先進的燃料電池系統(tǒng)在耐久性、功率密度等性能方面取得明顯進步，成本方面顯著降低，已進入小批量產(chǎn)業(yè)化階段。國際上主要商用車企業(yè)的客車用燃料電池參數(shù)對比見表 1。

表1 國際上主要商用車企業(yè)的 FCE 參數(shù)

根據(jù)美國可再生能源實驗室總結近2年美國FCBUS的運行情況報告，燃料電池平均運行時間已達到14 000 h，其中最長運行時間(巴拉德)已經(jīng)超過25 000 h[1]。

1.2 國內技術現(xiàn)狀

目前我國的氫能燃料電池尚屬于產(chǎn)業(yè)發(fā)展初期。總體來說，與國外先進的燃料電池相比還有一些差距[2]。除了催化劑、碳紙、質子交換膜、空壓機、氫循環(huán)泵等關鍵材料和零部件的產(chǎn)業(yè)化能力有待提升、技術標準體系仍需完善之外，可靠性與耐久性等與國際先進水平也存在一些差距，尤其在車載工況下的可靠性與耐久性有待提高。燃料電池可靠性與耐久性不僅與燃料電池電堆有關，還依賴于系統(tǒng)的集成與控制，包括氫氣供給、空氣供給、水熱管理等。因此，需加強燃料電池各子系統(tǒng)及控制策略研究，尤其要加強車載工況、低溫、雜質等實際運行環(huán)境下性能衰減機理與環(huán)境適應性研究，從而大幅提升燃料電池產(chǎn)品的可靠性與耐久性[3]。

2 燃料電池系統(tǒng)耐久性控制技術

2.1 影響燃料電池壽命的因素

根據(jù)燃料電池的性能衰減機理，特別是在關鍵材料與部件失效、電堆內部狀態(tài)一致性和運行工況影響等方面[4]，影響燃料電池壽命的因素如下：

1) 啟動-停機循環(huán)。會造成陰極催化劑表面積損失、催化劑層水聚焦、膜形成穿孔。其原因主要是催化劑顆粒由于碳腐蝕減小、催化劑層形態(tài)由于碳腐蝕發(fā)生劣化、干-濕循環(huán)形成機械應力等導致膜的機械性能減弱。

2) 負載循環(huán)變化。會造成陰極催化劑表面積損失和膜形成穿孔。其原因主要是電位循環(huán)會導致催化劑流失，濕度、溫度和壓力循環(huán)會形成機械應力，導致膜的老化。

3) 怠速。會造成膜穿孔和膜質子交換能力下降，主要是由于過氧化氫的化學攻擊和膜分解物會導致膜中毒。

4) 大負載。會導致高溫條件下催化劑顆粒熟化，進而造成催化劑表面積損失。

5) 苛刻的環(huán)境條件。會造成催化劑表面積損失、膜的質子傳輸能力損失和GDL氣體滲透能力損失。主要原因是高溫環(huán)境下催化劑顆粒熟化、空氣/氫氣雜質污染和流道內灰塵聚焦。

本文從燃料電池客車的整車運行工況和燃料電池系統(tǒng)的控制方面論述燃料電池耐久性控制技術。

2.2 燃料電池系統(tǒng)整車級耐久性控制技術

目前，基于成本和技術現(xiàn)狀的考慮，氫-電混合是燃料電池客車的主流技術路線，它集合了全功率燃料電池汽車(FCV)與純動力電池汽車(EV)的優(yōu)點[5]，其動力系統(tǒng)構型如圖1所示。

圖1 燃料電池客車動力系統(tǒng)構型

采用氫-電混合的控制策略，在勻速行駛階段，燃料電池發(fā)動機提供功率；在加速或爬坡行駛階段，燃料電池發(fā)動機和動力電池共同提供功率[6]。燃料電池系統(tǒng)整車級耐久性控制技術主要包括：

1) 盡量讓燃料電池發(fā)動機工作在特定功率區(qū)域，減少變載可以穩(wěn)定質子交換膜兩側壓差，減弱由于膜的機械運動而導致的性能衰減和催化劑的流失。

2) 設定較寬的動力電池SOC區(qū)間，避免燃料電池發(fā)動機頻繁變載。

3) 怠速和啟停將導致較為嚴重的燃料電池壽命衰減問題，故設定較寬的動力電池SOC區(qū)間對應于燃料電池的啟動/停機工況，減少啟停次數(shù)。

根據(jù)以上情況，在原有整車控制策略的基礎上，優(yōu)化燃料電池的啟?？刂坪凸β市枨罂刂?，優(yōu)化前后的整車控制策略見表2。

表2 燃料電池客車整車控制策略

2.3 燃料電池系統(tǒng)部件級耐久性控制技術

1) 燃料電池單體(單電池)電壓過高會造成單電池中的雙極板和碳紙中的碳被氧化，進而造成催化劑鉑的流失，導致燃料電池壽命縮短[7]。開路、怠速、低載都會使單電池電壓升高，其中開路狀況會在燃料電池發(fā)動機啟停時出現(xiàn)。所以降低單電池電壓過高的控制策略是：設置寬動力電池SOC區(qū)間，避免燃料電池頻繁啟停；燃料電池啟動后不讓其輸出功率處于怠速狀態(tài)；對升壓DC/DC的請求功率跟隨單電池電壓進行PID控制，避免單電池電壓超過0.8 V；在升壓DC/DC上加裝放電電阻，停車時燃料電池關機斷高壓后，迅速接通放電電阻，使高單電池電壓能夠迅速恢復到正常值以下。

2) 電堆陽極積水會造成氫饑餓，氫饑餓同樣會造成鉑催化劑被氧化，進而影響燃料電池的耐久性?？赏ㄟ^增加氫氣循環(huán)泵轉速，提供充足的氫氣使氫氣流道中產(chǎn)生的水被流動的氫氣帶走，從而避免陽極積水。

3) 通過化學空濾和交流脈沖掃描法恢復部分催化劑的活性?？諝庵械牧蚧锏入s質較多，對燃料電池鉑催化劑是一個累積性的毒化作用。燃料電池系統(tǒng)的空氣過濾器又稱化學空濾，其主要原理是采用改性活性炭通過化學反應吸附SO2等雜質。除了定時更換化學空濾器外，還可采用在升壓DC/DC中設置交流脈沖電源，對MEA膜上的鉑催化劑中的SO2等雜質進行脈沖掃描，促使SO2等雜質發(fā)生電化學反應[8]，從而解除SO2等雜質占據(jù)鉑催化劑的活性位，恢復氧化還原反應的進行，有效抵抗污染空氣對燃料電池內部鉑催化劑的毒化[9]。

目前車輛燃料電池系統(tǒng)的控制策略多采用基于簡化的整車需求功率進行控制，即提前標定若干個燃料電池功率點進行穩(wěn)態(tài)功率輸出，比如6 kW、10 kW、12 kW、15 kW等。在這些功率點直接控制空壓機轉速/背壓閥開度、比例閥開度/氫氣循環(huán)泵轉速或氫氣噴射頻率等參數(shù)，整車的需求功率在這些功率點進行選擇或燃料電池只響應這些功率點下的需求。這種控制策略使燃料電池在穩(wěn)態(tài)輸出的情況下具備一定的耐久性，但如要將燃料電池放在車載動態(tài)工況下進行動態(tài)功率輸出響應，則還需要對燃料電池進行更加復雜的技術控制。本文對以上控制策略進行了優(yōu)化改進，開發(fā)了燃料電池系統(tǒng)的多模式耐久性控制策略，如圖2所示。

圖2 燃料電池系統(tǒng)多模式耐久性控制策略

3 燃料電池系統(tǒng)耐久性測試

3.1 燃料電池系統(tǒng)臺架耐久性測試

采用自主研發(fā)的燃料電池發(fā)動機，匹配30 kW的燃料電池電堆?；趫D2所示的多模式耐久性控制策略，進行燃料電池耐久性臺架試驗。經(jīng)過500 h的耐久測試，數(shù)據(jù)顯示性能沒有降低。如圖3所示。

圖3 燃料電池電堆性能測試結果

3.2 燃料電池客車實際道路耐久性測試

選取40輛燃料電池客車訂單中的5輛車，采用表2和圖2所示的優(yōu)化后整車控制策略和燃料電池系統(tǒng)多模式耐久性控制策略，進行30 000 km的實際道路運行試驗并跟蹤其狀態(tài)，燃料電池系統(tǒng)耐久性測試結果如圖4所示。

圖4 道路行駛30 000 km燃料電池耐久性測試結果

此5輛車運行12 000 km左右時普遍出現(xiàn)燃料電池性能提升，略有超過預期的情況，其中3號車的情況見表3。其原因為電堆經(jīng)過一段時間的工作活化，其內部的濕度等指標優(yōu)于初始值。另外，其中3號車在27 000 km左右時，電堆電流和電堆功率衰減較為明顯，超過2%，原因是此時正值冬季供暖時間，空氣中的SO2雜質較多，其化學空濾提前達到飽和，無法過濾更多的有害氣體。除更換已飽和的化學空濾外，還對燃料電池電堆啟動交流脈沖掃描法恢復措施[9]，從而燃料電池的性能得到回升。3號車的運行數(shù)據(jù)見表3和圖5。其余4輛車經(jīng)過30 000 km的跟蹤觀察，其衰減幅度在0.7%～1.7%，均在預期的合理范圍內。

表3 3號車燃料電池耐久性數(shù)據(jù)變化率

圖5 3號車路測試過程中電堆數(shù)據(jù)變化曲線

4 結束語

本文介紹了國內外燃料電池客車技術現(xiàn)狀，分別從燃料電池客車整車角度和燃料電池系統(tǒng)的角度探討了燃料電池的耐久性控制技術，通過減緩燃料電池性能衰減的控制方法，開發(fā)了燃料電池多模式耐久性控制策略，并進行燃料電池的臺架測試和實際道路測試驗證。