燃料電池堆的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制過程

前言

近年來，由于地球溫室效應(yīng)日益加劇，石油資源也在日漸枯竭，能源安全(尤指穩(wěn)定供應(yīng)能源等)問題得以不斷凸顯，運(yùn)行中不產(chǎn)生CO2的新能源汽車逐漸引起了廣泛關(guān)注。豐田公司于近期設(shè)立了“CO2零排放目標(biāo)”，并提出到2050年，提高新能源汽車的銷售比例，目前正在對此開展相關(guān)研究(圖1)。

圖1 豐田公司2050年的車型生產(chǎn)目標(biāo)

FCV具有以下特點(diǎn)：(1)以氫氣作為燃料，氫氣可通過化石燃料在內(nèi)的多種能源進(jìn)行制取，來源廣泛；(2)行駛中的排放物只有水；(3)由于主要驅(qū)動(dòng)裝置是電機(jī)，所以可充分兼顧靜音性與良好的行駛性能；(4)具有較短的燃料填充時(shí)間，同時(shí)能確保與內(nèi)燃機(jī)汽車相近的續(xù)航里程。目前，社會各界正迫切希望該類環(huán)保車型得以實(shí)用化?？紤]到FCV的諸多優(yōu)點(diǎn)，研究人員認(rèn)為FCV同樣也可滿足中長距離的運(yùn)輸需求(圖2)。豐田公司于2014年在世界范圍內(nèi)首開先河，上市銷售了量產(chǎn)型FCV“MIRAI”車型。此外，豐田公司于2018年上市銷售了沿用了該燃料電池系統(tǒng)的新型燃料電池城市客車“SORA”(圖3)，而且針對輕型貨車的驗(yàn)證評審也正在逐步開展中(圖4)。

圖2 相關(guān)車型和行駛里程分布示意圖

圖3 新型燃料電池城市客車“SORA”

圖4 用于8級驗(yàn)證的貨車(針對美國市場)

1 豐田公司燃料電池系統(tǒng)

豐田公司將混合動(dòng)力技術(shù)定位成新能源汽車的核心技術(shù)，將混合動(dòng)力系統(tǒng)的發(fā)動(dòng)機(jī)替換為燃料電池系統(tǒng)，將燃油箱替換為豐田公司的燃料電池系統(tǒng)(TFCS)(圖5)。

圖5 HV、PHV、EV、FCV動(dòng)力系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)由進(jìn)行發(fā)電的燃料電池堆、供應(yīng)氫燃料的氫氣系統(tǒng)、供應(yīng)氧氣的空氣系統(tǒng)，以及冷卻系統(tǒng)所構(gòu)成(圖6)[1]。燃料電池堆發(fā)出的電能通過燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器向主驅(qū)動(dòng)電機(jī)及高電壓蓄電池等高壓系統(tǒng)供電(圖7)[2]。就對燃料電池堆發(fā)電有著重要影響的電解質(zhì)傳導(dǎo)性而言，其靈敏度會隨著附近環(huán)境的相對濕度而發(fā)生顯著變化。不僅如此，反應(yīng)過程中生成的水會影響到燃料電池堆內(nèi)的燃料供應(yīng)過程，因而對生成水的管理可謂至關(guān)重要。本文論述了基于燃料電池堆水管理而進(jìn)行的相關(guān)設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制。

圖6 燃料電池系統(tǒng)示意圖[1]

圖7 高電壓系統(tǒng)示意圖[2]

2 燃料電池堆

燃料電池堆通過設(shè)計(jì)單電池的電極面積和單電池?cái)?shù)量，從而獲得所需的電能。在通常情況下，單電池由作為氫氣與氧氣反應(yīng)部位的膜電極總成(MEA)、顯微滲透層(MPL)、氣體擴(kuò)散層(GDL)、用于從外部供應(yīng)氫氣和空氣的氣體通道，以及隔板等部件構(gòu)成(圖8)[3]。

圖8 TFCS的燃料電池組與單電池結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 豐田公司燃料電池堆的功率密度發(fā)展趨勢

豐田公司通過對燃料電池流道及MEA進(jìn)行改進(jìn)，使燃料電池系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了高密度化。此外，由于對單電池內(nèi)部彈簧機(jī)構(gòu)的有效應(yīng)用，簡化了電池的連接構(gòu)件。同時(shí)，由于電池本身的薄型化，縮小了體積尺寸[4]。而且，隨著隔板材質(zhì)的調(diào)整，電池全重有效減輕了，使電池具備較高的功率密度(3.1 kW/L與2.0 kW/kg，圖9)。結(jié)果表明，燃料電池電極鉑催化劑的使用量還降低了(圖10)。不僅如此，為避免降低接觸阻力并確保耐蝕性，隔板的表面處理工藝也從電鍍金處理調(diào)整為較廉價(jià)的聚合非晶碳鍍層(PAC)，從而顯著降低了成本[5]。

圖10 單位功率的催化劑鉑用量

2.1 高電流密度化

電池性能是由理論起動(dòng)電壓的損失(超電壓)所決定的。超電壓總體可分為以下3類：源于催化反應(yīng)的“活性化超電壓”，源于電子、質(zhì)子移動(dòng)的“電阻超電壓”和源于反應(yīng)過程的“濃度超電壓”(圖11)。就聚合物電解質(zhì)燃料電池(PEFC)而言，由于發(fā)電過程中生成的水處于液相狀態(tài)，單電池內(nèi)的氣體擴(kuò)散受阻會導(dǎo)致濃度超電壓進(jìn)一步惡化。另一方面，在易于形成蒸汽的高溫區(qū)，由于電解質(zhì)附近的相對濕度有所降低，作為質(zhì)子移動(dòng)電阻的電阻超電壓也會相應(yīng)增加。通過以上分析，如要實(shí)現(xiàn)燃料電池的高電流密度化，針對發(fā)電過程中生成的水而開展的構(gòu)件設(shè)計(jì)及控制是至關(guān)重要的，為燃料電池水管理技術(shù)的核心理念。

圖11 基于燃料電池性能的超電壓分布示意圖

2.2 降低濃度超電壓

在低溫及普通運(yùn)轉(zhuǎn)溫度區(qū)，由于發(fā)電而生成的水會滯留于空氣極側(cè)的電池流道、GDL、MPL及MEA中，從而產(chǎn)生濃度超電壓。在通常情況下，與氣體流道不接觸的GDL及MEA內(nèi)容易積存液態(tài)水。而在豐田的MIRAI車型上配裝的燃料電池堆的單元流道結(jié)構(gòu)，采用了3D細(xì)網(wǎng)格狀結(jié)構(gòu)。在優(yōu)化了氧氣供應(yīng)并排出液態(tài)水的同時(shí)，由于隔板表面具有一定親水性，將液態(tài)水導(dǎo)向流道表面，進(jìn)而降低了濃度超電壓(圖12、圖13)。此外，在GDL內(nèi)，通過調(diào)整碳素纖維與黏合劑的比例以實(shí)現(xiàn)最優(yōu)化。而在MPL方面，通過實(shí)現(xiàn)碳黑顆粒的粗顆粒化而降低透水壓力，使氣體擴(kuò)散性提高約2倍，進(jìn)而降低了濃度超電壓。

圖12 普通凹槽流道與3D細(xì)網(wǎng)流道

圖13 按照流道結(jié)構(gòu)不同，比較GDL內(nèi)的滯留水量

2.3 降低電阻超電壓

為了確保PEFC中電解質(zhì)的質(zhì)子傳導(dǎo)性能，需使電解質(zhì)周圍環(huán)境保持濕潤狀態(tài)。在常規(guī)的燃料電池系統(tǒng)中，通過加濕器可排出反應(yīng)中生成的水，將其返回燃料電池堆并進(jìn)行加濕處理。配裝在MIRAI車型上的TFCS，可通過結(jié)構(gòu)簡化以提高可靠性。豐田公司以降低成本為目標(biāo)，取消了該類加濕器，基于自加濕理念而對各個(gè)構(gòu)件進(jìn)行設(shè)計(jì)，由此實(shí)現(xiàn)了與以往相似的高溫性能(圖14)。自加濕的工作機(jī)理是在干燥的空氣入口處通過氫氣極對空氣進(jìn)行加濕。該設(shè)計(jì)方式不僅兼顧了各個(gè)構(gòu)件，而且與冷卻水流量及氫循環(huán)泵流量等系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了有機(jī)結(jié)合。

圖14 自加濕概念示意圖

燃料電池在高溫狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，空氣極入口濕度會相對較低。在MEA內(nèi)部的催化劑附近，質(zhì)子傳導(dǎo)性會逐漸惡化，進(jìn)而會使電阻超電壓有所增加。在外觀上，催化劑有效表面積減少，使燃料電池性能惡化。通過增加包覆催化劑電解質(zhì)官能團(tuán)的方式，以確保催化劑有效表面積的不變。在提高質(zhì)子傳導(dǎo)性的同時(shí)，通過電解質(zhì)/載體碳比率的最佳化及催化劑載體碳的實(shí)心化，即使在低濕度環(huán)境下，也能有效增加催化劑的表面積。同時(shí)，通過該措施還實(shí)現(xiàn)了單電池流道形狀的最佳化，有效抑制了空氣極入口處的干燥趨向。除了針對上述構(gòu)件的設(shè)計(jì)過程外，由于系統(tǒng)自身運(yùn)轉(zhuǎn)條件得以最佳化，即便在高溫環(huán)境下，單電池的發(fā)電過程也可處于穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，從而將超電壓的發(fā)生可能性控制在最小限度以內(nèi)(圖15、圖16)[6]。

圖15 基于相對濕度的催化劑利用率對比

圖16 采取對策前后的發(fā)電分布情況

另一方面，由于燃料電池在低濕度條件下進(jìn)行發(fā)電會出現(xiàn)游離基濃縮現(xiàn)象，導(dǎo)致電解質(zhì)化學(xué)性能逐步老化。同時(shí)，由于薄膜化會引起機(jī)械特性降低，進(jìn)而導(dǎo)致薄膜裂紋等問題。研究人員采取的對策包括向電極添加游離基淬滅材料，降低鐵離子污染，以及利用3D細(xì)網(wǎng)流道使電極表面壓力均勻化，以此確保了其耐久性能(圖17)。

圖17 氟化物排放率示意圖

3 燃料電池堆的水管理控制

為使燃料電池堆的發(fā)電性能時(shí)常保持在最佳狀態(tài)，研究人員根據(jù)交流阻抗法，并通過車載裝置計(jì)測了MEA構(gòu)件的電阻，進(jìn)而對燃料電池的運(yùn)轉(zhuǎn)條件進(jìn)行調(diào)整。

3.1 基于交流阻抗法的含水量計(jì)測

圖18示出了常規(guī)燃料電池的等效電路[7]。圖中Rohm為電解質(zhì)膜的電阻，Rvoid為GDL的電阻，Rion為電解質(zhì)的電阻。這些電阻會隨著含水率的不同而發(fā)生變化。在處于適度的濕潤狀態(tài)時(shí)，各部位電阻值均保持在較低狀態(tài)。在冷卻過程中，由于GDL內(nèi)部液態(tài)水大量存在，導(dǎo)致擴(kuò)散阻力有所增加，所以Rvoid值會相應(yīng)增大。相反，在高溫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)等含水率較低的狀態(tài)下，Rohm和Rion會有所增大，并產(chǎn)生電阻超電壓。

圖18 燃料電池等效電路

燃料電池升壓轉(zhuǎn)換器(圖7)的直流指令電流值是通過重疊高頻與低頻的2種正弦波電流值而進(jìn)行計(jì)測的。Rohm是通過高頻正弦波重疊電流計(jì)測的阻抗值(HFR)而計(jì)算得出的。另一方面，Rvoid是根據(jù)LFR，再針對Rohm及Rion進(jìn)行計(jì)算而得出的。

3.2 燃料電池堆的自加濕控制

TFCS在高溫狀態(tài)下運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，改變氫氣極的工作條件以進(jìn)行水管理。為使水得以有效分配到氫氣極表面，根據(jù)相關(guān)運(yùn)轉(zhuǎn)條件，可通過控制氫氣泵以增加氫循環(huán)量。在確保了必要的氫循環(huán)量之后，通過降低氫氣極入口壓力的方式，促使氫氣極表面的水實(shí)現(xiàn)不斷流動(dòng)。由于上述對策的運(yùn)用，催化劑附近環(huán)境較為濕潤，即便不采用外部加濕處理，也能有效提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的環(huán)境溫度(圖19)[8]。

圖19 通過運(yùn)轉(zhuǎn)條件的最佳化以提高系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)溫度

3.3 燃料電池高溫運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)的水管理控制

圖20 進(jìn)行水管理控制時(shí)車輛高速爬坡狀態(tài)下的燃料電池堆特性曲線

以計(jì)測方式得出的阻抗值為基礎(chǔ)，控制MIRAI車型氫氣泵流量、燃料電池水溫等參數(shù)，由此進(jìn)行水管理。圖20表示進(jìn)行水管理控制時(shí)車輛在較陡坡道上高速行駛時(shí)的評價(jià)結(jié)果。圖21則示出了在未進(jìn)行水管理控制的條件下，車輛在較陡坡道上高速行駛時(shí)的評價(jià)結(jié)果。在進(jìn)行水管理控制的條件下，Rohm數(shù)值較為穩(wěn)定，冷卻水溫度上升情況受到抑制，由此可以得到燃料電池堆的輸出功率。另一方面，在未進(jìn)行水管理控制的條件下，由于受到冷卻水溫度的影響，阻抗值出現(xiàn)了較大的變動(dòng)，同時(shí)也無法確保同樣的輸出功率。此時(shí)，燃料電池堆的電池特性也面臨著同樣問題，即在全電流區(qū)的阻抗值較高，無法輸出規(guī)定的電壓?？烧J(rèn)為該現(xiàn)象是電解質(zhì)膜等部件的電阻超電壓有所增加的原因之一(圖22)。另外，由于電壓降低，燃料電池堆的發(fā)熱情況也會逐步加劇，進(jìn)而導(dǎo)致冷卻水溫度上升。該結(jié)果表明，電解質(zhì)及電解質(zhì)膜的含水率有所降低，導(dǎo)致燃料電池發(fā)電特性面臨著進(jìn)一步惡化的現(xiàn)象。

圖21 未進(jìn)行水管理控制時(shí)車輛高速爬坡狀態(tài)下的燃料電池堆特性曲線

圖22 按照是否進(jìn)行水管理的燃料電池堆特性曲線圖對比

由以上分析可知，水管理控制可使電解質(zhì)膜等部件處于穩(wěn)定狀態(tài)并得以潤濕，同時(shí)改善燃料電池堆的發(fā)電特性，并能有效抑制冷卻水溫度的上升。

3.4 0 ℃下起動(dòng)時(shí)的水管理控制

燃料電池系統(tǒng)在0 ℃下起動(dòng)時(shí)面臨的主要問題是燃料電池系統(tǒng)內(nèi)部的殘留水及由于發(fā)電過程中生成的水會出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，無法向MEA及時(shí)供應(yīng)工作所需的氫氣與氧氣。由此面臨的最惡劣情況即為燃料電池?zé)o法正常發(fā)電。

圖23示出了在0 ℃環(huán)境下的系統(tǒng)控制流程圖。在0 ℃環(huán)境下燃料電池系統(tǒng)采用的水管理技術(shù)理念主要是確保起動(dòng)時(shí)氣體供應(yīng)系統(tǒng)得以正常運(yùn)轉(zhuǎn)。在水即將凍結(jié)時(shí)，采用可使燃料電池系統(tǒng)升溫到0 ℃以上的“快速暖機(jī)”控制系統(tǒng)。

圖23 應(yīng)對0 ℃環(huán)境時(shí)的燃料電池水管理控制流程

3.5 降低含水量控制

通過測量阻抗值，可以計(jì)算出燃料電池堆發(fā)電部位的含水量。GDL內(nèi)的含水量能充分利用Rvoid進(jìn)行管理。降低含水量控制是在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中及系統(tǒng)停止運(yùn)行時(shí)，控制冷卻水溫度、空氣流量、氫氣循環(huán)量等參數(shù)，并合理調(diào)節(jié)阻抗值，以便即使在0 ℃以下的環(huán)境內(nèi)進(jìn)行起動(dòng)時(shí)，也不會面對由于氣體擴(kuò)散所導(dǎo)致的問題，從而使燃料電池實(shí)現(xiàn)順利起動(dòng)(圖24)。

圖24 擴(kuò)散層含水量與Rvoid的關(guān)系

3.6 快速暖機(jī)控制

在燃料電池堆的溫度處于0 ℃以下時(shí)，發(fā)電特性比正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)更低。同時(shí)，由于生成的水逐漸凍結(jié)，導(dǎo)致燃料電池堆無法實(shí)現(xiàn)持續(xù)發(fā)電(圖25)。因此，當(dāng)冷起動(dòng)時(shí)的溫度在0 ℃以下時(shí)，為了能繼續(xù)發(fā)電，須使燃料電池堆的溫度處于0 ℃以上。

燃料電池堆在發(fā)電時(shí)，隨著各類能量損失的出現(xiàn)，會同時(shí)出現(xiàn)發(fā)熱現(xiàn)象。燃料電池堆處于正常運(yùn)轉(zhuǎn)工況時(shí)，須使發(fā)熱量處在最小限度內(nèi)，并高效運(yùn)轉(zhuǎn)。如需實(shí)現(xiàn)燃料電池堆的快速升溫，應(yīng)降低反應(yīng)過程所需的空氣量，進(jìn)而逐漸增大濃度超電壓(圖26)。

圖25 燃料電池在0 ℃環(huán)境下的發(fā)電特性

圖26 進(jìn)行快速暖機(jī)控制時(shí)的工作點(diǎn)

圖27示出了在-15 ℃溫度環(huán)境下的快速暖機(jī)控制。根據(jù)燃料電池溫度為-15 ℃時(shí)的實(shí)際車輛評價(jià)結(jié)果，從系統(tǒng)校驗(yàn)后的8 s開始，燃料電池堆即可進(jìn)行發(fā)電。由于一方面須維持一定的輸出功率，另一方面須緩慢地降低電壓，使燃料電池堆的發(fā)熱量有所增加，最終將燃料電池輸出功率控制為5～90 kW。此外，目前已確認(rèn)了燃料電池堆可在32 s左右的時(shí)間內(nèi)增溫至0 ℃以上。

圖27 -15 ℃以下的快速暖機(jī)控制曲線

4 結(jié)語

本文以燃料電池系統(tǒng)的1項(xiàng)核心技術(shù)“水管理”為研究對象。運(yùn)用可視化及計(jì)測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了定量化處理，將該技術(shù)有效運(yùn)用于燃料電池堆的設(shè)計(jì)與系統(tǒng)控制過程中。水管理是燃料電池堆的1項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，今后還將依據(jù)相關(guān)原理，對燃料電池堆的運(yùn)作機(jī)理進(jìn)行說明，從而推進(jìn)燃料電池堆系統(tǒng)的小型化、低成本化，以及性能提升等方面的工作。
責(zé)任編輯：彭菁