基于单片阻抗一致性吹扫的燃料电池低温冷启动策略研究

doi:10.19562/j.chinasae.qcgc.2024.02.008

摘要/Abstract

摘要：

车用石墨板燃料电池低温冷启动能力弱，是影响燃料电池技术在北方寒冷地区大规模推广的重要瓶颈。饥饿自升温是一种常见的低温冷启动策略，其基本原理是通过降低反应物供应速率来增加过电势，短时间在电池内部产生大量热量从而实现快速升温。该方法原理简单，但对电堆单体初始含水量一致性要求高、且易出现单片反极和尾排氢浓度超标的情况，影响系统安全性和电堆耐久性。针对上述问题，课题组研制了单体多通道交流阻抗在线测试装置，提出了面向单片阻抗一致性的电堆优化吹扫策略，建立了基于定电压变流量泵氢控制的低温冷启动方法，实现了低温启动瞬态过程的高产热、高安全、高动态的电压、电流、进堆/旁通空气流量的多目标多参数的耦合协调控制。台架实验结果表明，采用优化吹扫策略后，单片阻抗间最大差值由0.7降低至0.2 mΩ以下；燃料电池发动机系统可实现124 s内-40 ℃下快速启动，且重复性好。相关技术在北京冬奥会燃料电池示范中获得了应用，验证了其有效性。

关键词: 燃料电池汽车, 低温环境适应性, 停机吹扫, 冷启动, 泵氢控制

Abstract:

The weak cold-start capability of fuel cells with graphite plates for vehicles is an important bottleneck that affects the large-scale promotion of fuel cell vehicles in the cold regions of northern China. Starvation self-heating is a common cold-start strategy whose basic principle is to increase overpotential by reducing the supply rate of reactants， and generate a large amount of heat inside the cell in a short period of time to achieve rapid heating. This approach is simple， but it requires a high degree of consistency in the initial water content of the stack monomers and is prone to single-chip reverse polarity and excess hydrogen concentration emission， which can affect the safety and durability of the fuel cell. To solve the above problems， the research group has developed a multi-channel AC impedance measurement device， proposed an optimized purging strategy for single cell impedance consistency， and established a constant voltage and variable air flow control method for cold-start of fuel cells， to achieve multi-objective and multi-parameter coupled coordinated control that provides high heat production， high safety， and high dynamics for voltage， current， and inlet/outlet air flow in the low-temperature start transient process. The bench test results show that the maximum impedance deviation of fuel cells is decreased from 0.7 to less than 0.2 mΩ， and the fuel cell engine system can achieve a fast start at -40 ℃ within 124 s， with good repeatability. The relevant technology is applied in the fuel cell demonstration at the 2022 Winter Olympics， with its effectiveness verified.

Key words: fuel cell vehicle, low temperature adaptability, shutdown purging, cold start, pump hydrogen control

孔维峰,方川,刘继红,李建秋,李飞强,黄圣涛,赵兴旺,石焱,袁殿,徐梁飞,孙鹏,周恩飞,欧阳明高. 基于单片阻抗一致性吹扫的燃料电池低温冷启动策略研究[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 260-268.

Weifeng Kong,Chuan Fang,Jihong Liu,Jianqiu Li,Feiqiang Li,Shengtao Huang,Xingwang Zhao,Yan Shi,Dian Yuan,Liangfei Xu,Peng Sun,Enfei Zhou,Minggao Ouyang. Research on Fuel Cell Cold Start Strategy Based on Single Cell Impedance Consistency Purging[J]. Automotive Engineering, 2024, 46(2): 260-268.

图/表 16

图1

图2

图3

图4

表1

表2

图5

图6

表3

表4

图7

图8

图9

图10

图11

图12

参考文献 30

1	LI L J， WANG S X， YUE L K， et al. Cold-start method for proton-exchange membrane fuel cells based on locally heating the cathode ［J］. Applied Energy， 2019， 254： 113716.
2	WEI L， DAFALLA A M， JIANG F M. Effects of reactants/coolant non-uniform inflow on the cold start performance of PEMFC stack ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 45（24）： 13469-13482.
3	LUO M Z， ZHANG J， ZHANG C Z， et al. Cold start investigation of fuel cell vehicles with coolant preheating strategy ［J］. Applied Thermal Engineering， 2022， 201： 117816.
4	朱伟豪，王有镗，周鹏，等. 相变材料辅助的燃料电池客车冷启动特性研究［J］. 热力发电， 2022， 51（11）： 121-128.
	ZHU W H， WANG Y T， ZHOU P， et al. Research on cold start characteristics of fuel cell assisted by phase change material ［J］. Thermal Power Generation， 2022， 51（11）： 121-128.
5	郑俊生，邓棚，马建新. 催化燃烧辅助供热的燃料电池低温启动过程［J］. 同济大学学报（自然科学版）， 2013， 41（6）： 910-914.
	ZHENG J S， DENG P， MA J X. Low-temperature start-up process of fuel cell by a catalytic combustion auxiliary heating ［J］. Journal of Tongji University （Natural Science）， 2013， 41（6）： 910-914.
6	李洁，孙铁生，张广孟，等. PEMFC发动机热管理与冷启动研究进展［J］. 电池， 2020， 50（4）： 383-387.
	LI J， SUN T S， ZHANG G M， et al. Research progress in thermal management and cold start for PEMFC engine ［J］. Battery Bimonthly， 2020， 50（4）： 383-387.
7	ZANG L F， HAO L. Numerical study of the cold-start process of PEM fuel cells with different current density operating modes ［J］. Journal of Energy Engineering， 2020， 6： 146.
8	LEI L， HE P， HE P， et al. A comparative study： the effect of current loading modes on the cold start-up process of PEMFC stack ［J］. Energy Conversion and Management， 2022， 251： 114991.
9	RIOS G M， SCHIRMER J， GENTNER C， et al. Efficient thermal management strategies for cold starts of a proton exchange membrane fuel cell system ［J］. Applied Energy， 2020， 279： 115813.
10	LIN R， ZHU Y K， NI M， et al. Consistency analysis of polymer electrolyte membrane fuel cell stack during cold start ［J］. Applied Energy， 2019， 241： 420-432.
11	YANG Y B， MA T C， DU B Y， et al. Investigation on the operating conditions of proton exchange membrane fuel cell based on constant voltage cold start mode ［J］. Energies， 2021， 14： 660.
12	HU K F， CHU T K， LI F， et al. Effect of different control strategies on rapid cold start-up of a 30-cell proton exchange membrane fuel cell stack ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2021， 62（46）： 31788–31797.
13	AMAMOU A， KANDIDAYENI M， KELOUWANI S， et al. An online self cold startup methodology for PEM fuel cells in vehicular applications ［J］. IEEE Transactions on Vehicular Technology， 2020， 69： 14160-14172.
14	YOSHIAKI N， KOTA M， HIROYUKI I， et al. Development of system control for rapid warm-up operation of fuel cell ［J］. SAE International Journal of Alternative Powertrains， 2012， 1（1）： 365-373.
15	GUO H P， SUN S C， YU H M， et al. Proton exchange membrane fuel cell subzero start-up with hydrogen catalytic reaction assistance ［J］. Journal of Power Sources， 2019， 429： 180-187.
16	胡云峰，于彤，杨惠策，等. 低温环境下燃料电池启动优化控制方法［J］. 吉林大学学报（工学版）， 2022， 52（9）： 2034-2043.
	HU Y F， YU T， YANG H C， et al. Optimal control method of fuel cell start⁃up in low temperature environment ［J］. Journal of Jilin University （Engineering and Technology Edition）， 2022， 52（9）： 2034-2043.
17	WEN J N， SI D C， WANG S S， et al. Alternate hydrogen pump method enables start-up from 30 ℃ for graphite-bipolar-plate proton exchange membrane fuel cells ［J］. Journal of the Electrochemical Society， 2019， 166（14）： F1112-F1116.
18	MAROU T， TOIDA M， OGAWA T， et al. Development of fuel cell system control for sub-zero ambient conditions ［C］. SAE Paper 2017-01-1189.
19	徐鑫，甘全全，戴威. 一种燃料电池系统低温自启动方法： 201911415899.2［P］. 2019-12-31.
	XU X， GAN Q Q， DAI W. A low-temperature self starting method for fuel cell systems： 201911415899.2［P］. 2019-12-31.
20	杨小康，孟海军，俞红梅，等. 质子交换膜燃料电池低温启动策略研究进展［J］. 电源技术， 2022， 46（5）： 471-475.
	YANG X K， MENG H J， YU H M， et al. Review of cold start strategies of proton exchange membrane fuel cells ［J］. Chinese Journal of Power Sources， 2022， 46（5）： 471-475.
21	黄天川，刘志祥. 质子交换膜燃料电池系统低温启动技术研究进展［J］. 化工进展， 2021， 40（S1）： 117-125.
	HUANG T C， LIU Z X. Low temperature start-up technology of proton exchange membrane fuel cells system ［J］. Chemical Industry and Engineering Progress， 2021， 40（S1）： 117-125.
22	黄福森，汪尚尚，李哲，等. 过冷水对质子交换膜燃料电池零下启动能力与特性的影响［J］. 汽车安全与节能学报， 2019， 10（1）： 82-87.
	HUANG F S， WANG S S， LI Z， et al. Influences of super-cooled water on PEMFC sub-freezing startup capability and characteristics ［J］. Journal of Automotive Safety and Energy， 2019， 10（1）： 82-87.
23	TAJIRI K， TABUCHI Y， WANG C Y， et al. Isothermal cold start of polymer electrolyte fuel cells ［J］. Journal of the Electrochemical Society， 2007， 154（2）： B147-B152.
24	林立，王振. 燃料电池模块氢氧置换和吹扫可靠性研究［J］. 船电技术， 2019， 39（6）： 1-3.
	LIN L， WANG Z. Reliability research on the H₂/O₂ substitution and purge of fuel cell module ［J］. Marine Electric & Electronic Engineering， 2019， 39（6）： 1-3.
25	TANG H Y， SANTAMARIA A D， BACHMAN J， et al. Vacuum-assisted drying of polymer electrolyte membrane fuel cell ［J］. Applied Energy， 2013， 107： 264-270.
26	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.
27	PAN H， XU L F， CHENG S L， et al. Control-oriented modeling of gas purging process on the cathode of polymer electrolyte membrane fuel cell during shutting down ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2017， 42（29）： 18584-18594.
28	顾荣鑫，朱东，杨彦博，等. 质子交换膜燃料电池低温停机研究综述［J］. 汽车技术，2022，6： 1-13.
	GU R X，ZHU D，YANG Y B，et al. Review on the research of the cold stop for proton exchange membrane fuel cells ［J］. Automobile Technology，2022，6： 1-13.
29	LIPHARDT L， SUEMATSU K， GRUNDMEIER G. Kinetic studies of cathode degradation on PEM fuel cell short stack level undergoing freeze startups with different states of residual water and current draws ［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2020， 46（5）： 4399-4406.
30	SINHA P K， WANG C Y. Gas purge in a polymer electrolyte fuel cell ［J］. Journal of The Electrochemical Society， 2007， 154： B1158-B1166.

部件	参数	数值
膜	厚度	8 μm
膜电极	活性面积	330 cm²
电堆	片数	330

参数	-1	0	+1	-1.682	+1.682
a/（g·s^-1）	90	100	110	83.18	116.82
b/kPa	130	140	150	123.18	156.82
c/℃	70	75	80	66.59	83.41

[1]	陶阿邦,陶建建,魏学哲. PEMFC冷启动过程阻抗谱及特征频率分析[J]. 汽车工程, 2024, 46(2): 269-280.
[2]	朱成,刘頔,滕欣余,张国华,于丹,刘沙,胡苧丹. 新能源汽车综合经济性对比分析及预测研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(2): 333-340.
[3]	姜俊昭,杨文豪,彭彬,郭婷,徐业凯,王国卓. 基于能耗加权策略的燃料电池汽车续驶里程预测[J]. 汽车工程, 2023, 45(12): 2357-2365.
[4]	朱仲文,汪鑫,江维海,李丞. 氢燃料电池汽车整车集成式热管理系统研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 1991-2000.
[5]	吕平,孙昕,许有伟,张宝,徐家慧,邢丹敏. 车用燃料电池堆低温停机吹扫试验研究[J]. 汽车工程, 2023, 45(11): 2123-2129.
[6]	张智明,潘佳琪,章桐. 燃料电池离心式空压机转子临界转速关键影响因素分析[J]. 汽车工程, 2022, 44(9): 1386-1393.
[7]	魏小栋,刘波,冷江昊,周星宇,孙超,孙逢春. 基于凸优化的燃料电池汽车节能驾驶研究[J]. 汽车工程, 2022, 44(6): 851-858.
[8]	方川,袁殿,邵扬斌,徐梁飞,李飞强,胡尊严,李建秋,周宝,戴威. 面向冬奥示范的新一代燃料电池系统技术突破[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 535-544.
[9]	王亚雄,王轲轲,钟顺彬,何洪文,王薛超. 面向耐久性提升的车用燃料电池系统电控技术研究进展[J]. 汽车工程, 2022, 44(4): 545-559.
[10]	韩济泉,孔祥程,冯健美,彭学院. 大功率燃料电池汽车氢循环系统性能分析[J]. 汽车工程, 2022, 44(1): 1-7.
[11]	郑文杰,杨径,朱林培,熊飞. 车用燃料电池热管理性能仿真与试验研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(3): 381-386.
[12]	邱彬,禹如杰,刘勇,赵冬昶,宋健. 基于学习率的纯电动与燃料电池汽车分场景经济性比较研究[J]. 汽车工程, 2021, 43(2): 296-304.
[13]	林歆悠, 夏玉田, 李雪凡, 林海波. 燃料电池汽车行驶里程自适应ECMS策略[J]. 汽车工程, 2019, 41(7): 750-756.
[14]	王骞, 李顶根, 苗华春. 基于模糊逻辑控制的燃料电池汽车能量管理控制策略研究^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(12): 1347-1355.
[15]	周大为, 左曙光, 刘敬芳, 吴旭东. 燃料电池车用可调频微穿孔消声器试验研究^*[J]. 汽车工程, 2019, 41(1): 80-85.