質(zhì)子交換膜燃料電池啟動(dòng)策略的實(shí)驗(yàn)研究

王勇，何麗，劉優(yōu)賢，李巖，邱宜彬，劉嘉蔚，陳前宇，劉志祥

質(zhì)子交換膜燃料電池啟動(dòng)策略的實(shí)驗(yàn)研究

王勇1，2，何麗1，劉優(yōu)賢1，李巖3，邱宜彬1，劉嘉蔚1，陳前宇4，劉志祥1

（1西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院，四川成都 610031；2國(guó)網(wǎng)四川省電力公司瀘州供電公司，四川瀘州 646000；3中國(guó)電力工程顧問集團(tuán)東北電力設(shè)計(jì)院有限公司，吉林長(zhǎng)春 130021；4國(guó)網(wǎng)四川省電力公司德陽(yáng)供電公司，四川德陽(yáng) 618000）

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）在啟動(dòng)時(shí)各單片電池將出現(xiàn)高電壓，而高電壓會(huì)加速催化劑碳載體的腐蝕，進(jìn)而影響電堆的性能。為了降低燃料電池啟動(dòng)時(shí)形成的高電壓和縮短高電壓維持的時(shí)間，本文通過實(shí)驗(yàn)研究對(duì)比分析了常規(guī)啟動(dòng)、聯(lián)合最低單片電壓?jiǎn)?dòng)和減小氫氣進(jìn)氣壓力啟動(dòng)3種不同啟動(dòng)方式對(duì)PEMFC的影響，提出了一種新的PEMFC啟動(dòng)策略。該策略是減小電堆啟動(dòng)時(shí)氫氣進(jìn)氣壓力，當(dāng)電堆最小單片電壓值大于0.3V后立即切入10Ω啟動(dòng)負(fù)載。結(jié)果表明，該策略不僅可以明顯降低電堆啟動(dòng)時(shí)最大單片電壓值，還縮短了高電壓維持的時(shí)間，有利于提高電堆耐久性，是一種十分有效的PEMFC啟動(dòng)控制策略。

燃料電池；啟動(dòng)策略；性能；耐久性

燃料電池發(fā)電技術(shù)是21世紀(jì)以來人們高效利用可再生能源的最關(guān)鍵技術(shù)之一，世界各國(guó)政府和很多機(jī)構(gòu)都對(duì)燃料電池技術(shù)的開發(fā)和產(chǎn)業(yè)化保持大力支持的態(tài)度，在最近20～30年燃料電池突飛猛進(jìn)，迅速地發(fā)展起來，是車用新能源中最具有潛力的優(yōu)選對(duì)象[1-5]。氫燃料電池能量轉(zhuǎn)換效率高，不受卡諾循環(huán)的限制，模塊結(jié)構(gòu)、清潔、無污染、積木性強(qiáng)、噪聲低[6]，被譽(yù)為21 世紀(jì)最有潛力和發(fā)展前途的綠色能源裝置，被列為未來世界十大科技之首，受到了世界各國(guó)政府和機(jī)構(gòu)的高度重視和大力資助[7-14]。但也存在制約其發(fā)展的障礙，PEI等[15]研究了不同工況下質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）性能衰減比例，結(jié)果表明啟停工況對(duì)燃料電池壽命的影響很大，僅次于變載工況。余意[16]測(cè)試了PEMFC電堆在啟停工況下的性能衰減速率，結(jié)果表明啟停機(jī)工況對(duì)燃料電池壽命的影響很大。UTC公司的REISER等[17]于2005 年提出PEMFC催化劑載體在啟停過程的一種腐蝕機(jī)理，即反向電流機(jī)理。另外，電堆啟動(dòng)時(shí)的高電勢(shì)對(duì)催化劑也有腐蝕作用。目前，碳材料被廣泛應(yīng)用于PEMFC催化劑的載體。然而，當(dāng)碳材料處于高溫和高電位下很容易發(fā)生氧化腐蝕，其發(fā)生的反應(yīng)如式(1)和式(2)所示[18]。

C+2H2O—→CO2+4H++4e–(1)

C+H2O—→CO+2H++2e–(2)

SHAO等[19]研究中表明當(dāng)電位高于0.207V時(shí)，式(1)較容易發(fā)生。在標(biāo)準(zhǔn)條件下，當(dāng)電位高于0.518V時(shí)，碳載體易被氧化成CO，如式(2)。然而，當(dāng)電池處于帶載運(yùn)行時(shí)，反應(yīng)式(1)和式(2)的動(dòng)力學(xué)速度十分緩慢，碳載體的腐蝕在短時(shí)間內(nèi)并不明顯。

由上文可知，必須防止燃料電池啟停過程中電堆內(nèi)氫空界面的形成，并盡量減小燃料電池啟停過程中高電壓值，縮短高電壓維持的時(shí)間。本文針對(duì)燃料電池啟動(dòng)過程中出現(xiàn)高電壓這個(gè)問題，提出了一種新的PEMFC啟動(dòng)策略。該策略為減小電堆啟動(dòng)時(shí)氫氣進(jìn)氣壓力，當(dāng)電堆最小單片電壓值大于某一啟動(dòng)電壓設(shè)定值后立即將啟動(dòng)負(fù)載切入。實(shí)驗(yàn)表明，該策略能使電堆啟動(dòng)時(shí)高電壓值明顯減小，并且維持高電壓的時(shí)間也明顯縮短，這必然有利于減緩電池的衰減，提高電池的耐久性。

1 實(shí)驗(yàn)方案

1.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)如圖1所示，所用PEMFC為加拿大Ballard公司FCgen?1020ACS空冷自增濕型PEMFC，單電池?cái)?shù)13片，額定功率500W，額定工作電流65A，最大工作電流75A，工作溫度上限為75℃，PEMFC配備2個(gè)DC24V/1.5A的可調(diào)速風(fēng)扇對(duì)電堆進(jìn)行散熱和供氧。電堆整個(gè)系統(tǒng)的控制是用凌華科技全新系列USB接口多功能數(shù)據(jù)采集模塊USB-1902和上位機(jī)共同完成。USB-1902具有16-bit高分辨率，最高可達(dá)250kS/s模擬輸入采樣頻率。并且USB-1902有2路的模擬電壓輸出通道，16路模擬電壓輸入通道，4路數(shù)字量輸出通道和8路數(shù)字量輸出通道，滿足整個(gè)空冷型PEMFC測(cè)試平臺(tái)數(shù)據(jù)采集與控制需要。由于USB-1902的模擬電壓輸入通道的測(cè)量范圍是±10V，故本文實(shí)驗(yàn)利用USB-1902數(shù)據(jù)采集模塊通過特殊的轉(zhuǎn)換方法來精確采集電堆各單片電壓，并且能精確采集負(fù)壓。由于電堆啟動(dòng)時(shí)刻暫態(tài)電壓變化很快，故本實(shí)驗(yàn)采集間隔設(shè)為0.1s（即1s內(nèi)電壓采集10次）。

圖1 PEMFC啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.2 實(shí)驗(yàn)條件

實(shí)驗(yàn)在環(huán)境溫度18～20℃，環(huán)境濕度RH50%～60%的室內(nèi)環(huán)境進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)過程中，啟動(dòng)負(fù)載采用恒流（CC）和恒阻（CR）兩種模式，實(shí)驗(yàn)所用的氫氣為99.99%的高純氫，氫氣壓力為0.36bar（1bar= 105Pa）。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 常規(guī)啟動(dòng)對(duì)PEMFC的影響

首先采取常規(guī)啟動(dòng)方式啟動(dòng)燃料電池。啟動(dòng)方法為：先同時(shí)打開氮?dú)膺M(jìn)氣閥和尾氣閥5s（目的是排盡電堆內(nèi)空氣），然后關(guān)掉氮?dú)膺M(jìn)氣閥，同時(shí)打開氫氣進(jìn)氣閥并保持尾氣閥打開的狀態(tài)，1s后關(guān)閉尾氣閥（目的是讓氫氣吹掃電堆）并立即將1A啟動(dòng)負(fù)載切入電堆。其單電池電壓變化曲線如圖2所示。圖2中Δ表示電堆加啟動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間，max表示電堆各單片能達(dá)到的最大電壓值（后文同）。從圖2中數(shù)據(jù)可知電堆各單片中最大電壓max可達(dá)1.03V，Δ為1.9s，而陰極高電位會(huì)造成碳載體腐蝕，故應(yīng)該盡量減短電堆啟動(dòng)時(shí)維持高電壓的時(shí)間，這對(duì)于提高電堆的耐久性顯得十分重要。

圖2 常規(guī)啟動(dòng)單電池電壓變化趨勢(shì)

2.2 不同時(shí)刻切入啟動(dòng)負(fù)載對(duì)PEMFC的影響

針對(duì)上述啟動(dòng)過程中存在的問題，為較小啟動(dòng)時(shí)的高電壓值和縮短PEMFC啟動(dòng)時(shí)電堆維持高電壓時(shí)間，將電堆啟動(dòng)時(shí)各單片電壓和啟動(dòng)負(fù)載切入的時(shí)刻聯(lián)系在一起。電堆在啟動(dòng)前各單片電壓接近為零，隨著氫氣進(jìn)氣閥打開，氫氣進(jìn)入電堆陽(yáng)極流道，各單片電壓開始增加。本文利用當(dāng)電堆最小單片電壓值大于某一啟動(dòng)電壓設(shè)定值（后文同）后立即將啟動(dòng)負(fù)載切入的方式來減小電堆啟動(dòng)時(shí)的高電壓值。燃料電池啟動(dòng)后，當(dāng)電堆中電壓最小單片電池的電壓值分別大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)立刻切入恒定小電流（1A）啟動(dòng)負(fù)載，其單電池電壓變化曲線如圖3所示。同理，燃料電池啟動(dòng)后當(dāng)電堆中電壓最小單片電池的電壓值分別大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)立刻切入恒定小電阻（10Ω）啟動(dòng)負(fù)載，其單電池電壓變化曲線如圖4所示。

從圖3數(shù)據(jù)中可知，當(dāng)氫氣進(jìn)氣壓力為0.36bar時(shí)，最小單片電壓值大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)切入1A啟動(dòng)負(fù)載電堆各單片能達(dá)到的最高電壓max分別為0.91V、0.92V和0.99V，Δ分別為1.1s、1.3s和1.4s。從圖4數(shù)據(jù)中可知，當(dāng)氫氣進(jìn)氣壓力為0.36bar時(shí)，最小單片電壓值大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)切入10Ω啟動(dòng)負(fù)載電堆各單片能達(dá)到的最高電壓max分別為0.95V、0.98V和1.03V，△分別為1.1s、1.1s和1.4s?？梢姡瑹o論是以1A啟動(dòng)負(fù)載還是10Ω啟動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)電堆，其規(guī)律都是隨著啟動(dòng)電壓設(shè)定值由0.9V降到0.3V，電堆啟動(dòng)時(shí)達(dá)到的最高電壓max越來越小，啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間Δ越來越短。

圖3 1A負(fù)載啟動(dòng)單電池電壓變化趨勢(shì)

圖3和圖4表明減小電堆啟動(dòng)時(shí)啟動(dòng)電壓設(shè)定值不僅可以減小電堆啟動(dòng)時(shí)最大單片電壓值，還能縮短電堆啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間，這能有效地減弱電堆啟動(dòng)時(shí)催化劑上碳載體的腐蝕，提高電堆的耐久性。

2.3 不同氫壓下恒定電阻啟動(dòng)負(fù)載對(duì)PEMFC的影響

為了進(jìn)一步減小電堆啟動(dòng)時(shí)最大單片電壓值，縮短電堆啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間，本文提出了一種新的PEMFC啟動(dòng)策略，即當(dāng)電堆處于啟動(dòng)階段時(shí)將氫氣進(jìn)氣壓力調(diào)低，電堆啟動(dòng)成功后，再將氫氣進(jìn)氣壓力調(diào)回正常運(yùn)行設(shè)定值?？紤]到不同氫氣壓力進(jìn)入電堆使各單片電壓增加的速度是不同的，隨著氫氣進(jìn)氣壓力的逐漸減小，電堆各單片電壓增加的速度也越來越慢。而空冷燃料電池氫氣進(jìn)氣壓力在電堆整個(gè)運(yùn)行過程中保持不變，本文所用的電堆其使用手冊(cè)設(shè)定的氫氣進(jìn)氣壓力恒定為0.36bar。故將氫氣壓力分為兩檔，啟動(dòng)檔與運(yùn)行檔，啟動(dòng)時(shí)將氫氣進(jìn)氣壓力調(diào)低，當(dāng)電堆在切入啟動(dòng)負(fù)載穩(wěn)定運(yùn)行后再將氫氣進(jìn)氣壓力調(diào)為運(yùn)行檔。由于電堆在實(shí)際運(yùn)用中，啟動(dòng)負(fù)載為恒電阻的方式比恒電流實(shí)現(xiàn)容易，故下文中啟動(dòng)負(fù)載均采用恒定10Ω電阻。具體操作方法為將氫氣進(jìn)氣壓力調(diào)為0.3bar，燃料電池啟動(dòng)后當(dāng)電堆中電壓最小單片電池的電壓值分別大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)立刻切入10Ω啟動(dòng)負(fù)載，其單電池電壓變化曲線如圖5所示。同理，將氫氣進(jìn)氣壓力調(diào)為0.2bar，燃料電池啟動(dòng)后當(dāng)電堆中電壓最小單片電池的電壓值分別大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)立刻切入10Ω啟動(dòng)負(fù)載，其單電池電壓變化曲線如圖6所示。

圖4 10Ω負(fù)載啟動(dòng)單電池電壓變化趨勢(shì)

圖5 0.3bar氫壓下啟動(dòng)單電池電壓變化趨勢(shì)

從圖5數(shù)據(jù)中可知，當(dāng)氫氣進(jìn)氣壓力為0.3bar時(shí)，最小單片電壓值大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)切入10Ω啟動(dòng)負(fù)載電堆各單片能達(dá)到的最高電壓max分別為0.89V、0.94V和1.01V，Δ分別為1.1s、1.2s和1.4s。從圖6數(shù)據(jù)中可知，當(dāng)氫氣進(jìn)氣壓力為0.2bar時(shí)，最小單片電壓值大于啟動(dòng)電壓設(shè)定值0.3V、0.6V和0.9V時(shí)切入10Ω啟動(dòng)負(fù)載電堆各單片能達(dá)到的最高電壓max分別為0.81V、0.88V和0.93V，Δ分別為0.2s、0.5s和0.8s。圖5或圖6都可看出當(dāng)氫氣進(jìn)氣壓力一定時(shí)（0.3bar或0.2bar），隨著啟動(dòng)電壓設(shè)定值由0.9V降到0.3V，電堆啟動(dòng)時(shí)達(dá)到的最高電壓max越來越小，啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間Δ越來越短。從圖4～圖6可知，當(dāng)啟動(dòng)電壓設(shè)定值保持一定時(shí)，隨著氫氣進(jìn)氣壓力由0.36bar降至0.2bar，電堆啟動(dòng)時(shí)達(dá)到的最高電壓max越來越小，啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間Δ越來越短。所有實(shí)驗(yàn)中，當(dāng)氫氣進(jìn)氣壓力設(shè)為0.2bar，啟動(dòng)電壓設(shè)定值為0.3V時(shí)，電堆啟動(dòng)時(shí)達(dá)到的最高電壓max最小，啟動(dòng)過程中最大單片電壓值高于0.8V所維持的時(shí)間Δ也最短。

圖6 0.2bar氫壓下啟動(dòng)單池電壓變化趨勢(shì)

綜上所述，減小氫氣進(jìn)氣壓力和啟動(dòng)電壓設(shè)定值切入恒定小電阻啟動(dòng)負(fù)載啟動(dòng)電堆能減小電堆啟動(dòng)時(shí)最大單片電壓值，縮短電堆啟動(dòng)過程中高電壓維持的時(shí)間，減弱電堆啟動(dòng)時(shí)催化劑上碳載體腐蝕，這必然有利于減緩電池的衰減，提高電池的耐久性，是一種十分有效的燃料電池系統(tǒng)啟動(dòng)控制策略。

3 結(jié)論

PEMFC系統(tǒng)啟動(dòng)控制策略的研究具有重大的意義。本文提出了一種新的PEMFC啟動(dòng)策略。該策略為調(diào)小電堆啟動(dòng)時(shí)氫氣進(jìn)氣壓力，當(dāng)電堆最小單片電壓值大于某一啟動(dòng)電壓設(shè)定值后立即將啟動(dòng)負(fù)載切入。實(shí)驗(yàn)表明，電堆常規(guī)啟動(dòng)時(shí)各單片中最大電壓可達(dá)1.03V，啟動(dòng)過程高電壓的維持時(shí)間達(dá)1.9s。當(dāng)使用本文提出的新啟動(dòng)策略，氫氣進(jìn)氣壓力為0.2bar，啟動(dòng)電壓設(shè)定值為0.3V時(shí)，電堆各單片中最大電壓只有0.81V，啟動(dòng)過程高電壓的維持時(shí)間只有0.2s。電堆啟動(dòng)時(shí)最大單片電壓明顯減小，維持高電壓的時(shí)間也明顯縮短，這必然有利于減緩電池的衰減，提高電池的耐久性，是一種十分有效的PEMFC啟動(dòng)控制策略。

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Experimental study of start-up strategy about PEMFC

WANG Yong1，2，HE Li1，LIU Youxian1，LI Yan3，QIU Yibin1，LIU Jiawei1，CHEN Qianyu4，LIU Zhixiang1

（1School of Electric Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu 610031，Sichuan，China;2State Grid Sichuan Electric Power Company Luzhou Power Supply Company，Luzhou 646000，Sichuan，China;3Northeast Electric Power Dsign Institute Co.，Ltd.，China Power Engineering Consulting Group，Changchun 130021，Jilin，China;4State Grid Sichuan Electric Power Company Deyang Power Supply Company，Deyang 618000，Sichuan，China）

High voltage occurs in each cell of the proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) when it starts，and the high voltage will accelerate the corrosion of the carbon carrier of the catalyst，which will affect the performance of the reactor. In order to reduce high voltage in the start-up process and shorten the duration time，we study the effects of three different start-up methods of regular start-up，associate minimum monolithic voltage and lower hydrogen inlet pressure on PEMFC through experiment，and then puts forward a new start-up control strategy of reducing the hydrogen inlet pressure in the start-up process and putting a 10Ω load in when the minimum monolithic voltage value of the stack is greater than 0.3V. The results show that the new system shut-down control strategy of PEMFC can reduce both the high voltage in start-up process and the duration time. So it is a very effective start-up strategy which improves the durability of the stack.

fuel cell；start-up strategy；performance；durability

TK91

A

1000–6613（2017）10–3921–06

10.16085/j.issn.1000-6613.2017-0097

2017-01-17；

2017-03-24。

國(guó)家自然科學(xué)基金（61473238，51407146）及四川省杰出青年基金（2015JQ0016）項(xiàng)目。

王勇（1991—），男，碩士研究生。

劉志祥，研究員，主要研究方向?yàn)槿剂想姵丶夹g(shù)及應(yīng)用。E-mail：liuzhixiang@swjtu.edu.cn。