刘鹏程，许思传

（同济大学汽车学院,上海201804）

质子交换膜燃料电池（proton exchangemembrane fuel cell,PEMFC）具有能量转化效率高、能量密度大、工作温度低、零排放等优点，其在车辆动力系统中显示出强大的潜力[1-2]。然而，车用燃料电池系统经常处于动态运行情形下，频繁启停、怠速、变载和高负荷都对燃料电池的寿命有很大影响,其中频繁变载是车用工况中对燃料电池耐久性影响最大的因素，也是导致燃料电池性能衰减的主要原因之一，达到56.5%[3]。故动态响应能力是影响车用PEMFC寿命的关键因素之一，研究PEMFC运行过程中的动态响应特性对于延长车用燃料电池系统的耐久性和可靠性具有重要意义[4-5]。

影响PEMFC动态响应过程的因素主要有电化学双层电荷传递、气体在流道和扩散层的传递以及膜的水合/脱水过程。其中，由于电化学双层放电速度快，可以忽略这一过程，气体扩散传递和膜水合/脱水的时间常数分别为0.1～1s和25s[6]。由于系统延迟的影响，车用PEMFC电堆的时间常数要长得多，同时电堆温度的变化也影响电堆的动态响应过程[7]。大量学者通过建立动态模型和设计试验对燃料电池动态变载做了深入的研究，车用燃料电池的动态响应过程非常复杂，主要受燃料电池结构和材料[8-13]、运行参数[14-21]和系统控制[22-28]等方面的影响。

燃料电池结构和材料的不同会造成动态响应能力存在很大的差异，提升材料的性能和优化燃料电池内部结构有利于改善动态响应性能。Zhang等[8]通过试验探究发现高温质子交换膜燃料电池动态性能受聚苯并咪唑（PBI）膜中水合/脱水过程的影响。Lu等[9]采用溶胶-凝胶法制备了Pt/C-RuO2·xH2O催化剂以提高PEMFC的动态响应性能。制备的新型催化剂Pt/C颗粒平均粒径为8nm且颗粒均匀分布。试验结果表明，采用RuO2·xH2O的MEA（membrane electrode assembly，膜电极）稳态性能优于不使用RuO2·xH2O的MEA，使用RuO2·xH2O可以缓解电压下冲现象，提高稳定性并延长PEMFC电堆寿命。陈会翠[10]通过建立三维两相流模型发现提高气体扩散层的毛细扩散系数会在水淹的情况下很大程度上提高燃料电池的动态响应能力，小截面积燃料电池则更有利于气体的动态响应。Cho等[11]试验发现微孔层（MPL）渗透入扩散层（GDL）的厚度影响GDL的孔隙分布，由于GDL具有良好的除水/保水平衡能力，渗透厚度较大的GDL在湿度较高和较低条件下均表现出较好的瞬态响应性能。曹涛锋等[12]试验研究了流场板结构对负载变化时动态响应输出性能的影响，在负载电流较小的运行区间，平行流场板的排水能力最弱，可以最大限度地保证膜的润湿性。大电流下，由于平行流场板排水能力的限制，造成电极内发生水淹现象，蛇形流场板性能的动态输出性能较好。

车用燃料电池动力系统中，空气、氢气供应子系统，热管理子系统和电气控制子系统必须同时工作以确保电堆的气体供应和在合适的温度范围内工作。电堆在工作状态下，气体供应条件和负载的变化直接影响其动态响应过程中的性能输出。王诚等[14]通过试验表明，在一定范围内温度和压力越高，电堆的输出性能越好。Kim等[15]将电流密度从0.4A/cm2阶跃变化为1.3A/cm2时发现尽管压力与质量流量供应成正比，但阴极和阳极工作压力变化规律不同，阴极侧出现峰值，阳极侧变化平稳。华周发等[16]发现当阴极空气化学计量比大于3时，在低电流密度区，PEMFC下冲差别不明显，高电流密度区由于液态水的堆积，PEMFC下冲有较大差别。Kim等[17]通过确定最佳的空气化学计量比，使负载变化下的电压下冲和电压波动最小化。在动态响应过程中，确定最佳空气化学计量比为2.0～2.5。Tang等[18]发现空气流量也随着动态负荷的变化而变化。不同阶跃变化过程中空气流量的增加量是不一样的，这取决于内部反应和水淹情况。张竹茜等[19]认为通过阴极加湿可以提高PEMFC的电化学响应特性。华周发等[16]认为阴极空气加湿湿度太低或者太高都会引起PEMFC动态响应的较大变化，在高于50%但是小于100%的进气湿度情形下，会达到一个很好的动态响应性能。陈会翠等[20-21]通过建立等效电路模型研究PEMFC动态变载过程的电压响应发现，随着负载幅值的减小，电压响应的下冲幅值和稳定时间减小。如果变载幅度太大，可能出现电压的反极现象。电流密度阶跃幅值越大，气体流量、加湿度等操作条件对PEMFC动态响应的影响差别越大。

燃料电池的系统控制策略和控制方式对动态响应的输出性能具有很大影响，同时动态响应工况影响燃料电池的可靠性和耐久性。Corbo等[22]在欧洲R40循环工况下进行工况试验，动态响应过程中合适的空气管理策略可以提高燃料电池的系统效率，系统效率45%～48%，而在驱动循环期间，总的动力传动系统效率达到30%。阳极吹扫操作有利于动态响应过程中电压的恢复和提高，恢复时间取决于

负载电流的高低，随着电流的增加，为防止阳极流道和阳极气体扩散层水淹，吹扫阀的操作频率也应该随之增加[18,23]。Wan等[24]在40～90A的负载变化范围内，通过对冷却液温度的控制发现即使在高电流密度下电堆也可以实现快速冷却响应。此外，在燃料电池加载不同类型的负载时，其响应特性有较大差异。同样阶跃电流情形下，加载纯阻性负载比加载冲击性负载响应时间更短，低调量更小。冲击性负载，非线性负载，含电机类的器件，如冷却水循环水泵、氢气循环泵、空气压缩机等都可能会造成电流的瞬间增大，当气体供给不足以支撑瞬时大电流冲击时，极易造成气体不足引起电极“饥饿”,造成燃料电池反极[25]。Wang等[26]利用透明PEMFC研究了机械振动对动态响应的影响。结果表明，电流密度阶跃变化后，电压在振动和无振动下的稳定时间分别需要50s和20s左右。同时，在振动情形下检测到电压出现波动，突然振动会引起小液滴合并成大液滴，而较大的液滴会干扰气体的传质过程。此外，Lin等[27-28]通过模拟汽车工况，研究了动态加载循环条件下PEMFC性能的衰减。试验发现燃料电池在运行280h后，性能迅速下降。经过370h的测试，Pt颗粒在催化剂层中的分布出现不均匀且尺寸明显增大，有些还分散在膜中，催化层出现裂纹和缝隙。这种微观结构的变化与MEA的电化学活性失效以及膜内阻的增加有关。电堆进口和出口区域的电流密度下降速度比其他部分快得多。

质子交换膜燃料电池在动态工况运行过程中，电池本身材料和内部结构会影响燃料电池的电化学反应及传热传质的动态过程。另外，燃料电池系统供气特性及系统控制策略也会对电池的动态响应性能和耐久性造成影响。具体的影响方式和程度又与具体的负载变化（工况变化）、燃料电池的材料及结构、系统运行参数及控制策略等密切相关。本文参考同济大学自定义测试工况，对低压燃料电池系统在车载工况下的动态运行响应特性进行了试验研究。首先分析了电堆的输出电压和功率、反应物供气流量/压力响应和冷却液温度等变化情况，接着讨论了动态运行过程中电堆单电池之间的均衡性变化，最后研究了动态响应过程中出现的上调和下冲特性等。以期为燃料电池电堆在动态工况下的性能输出和耐久性试验研究提供相应参考。

1 试验

1.1 试验设备

试验在自建PEMFC测试系统平台上进行，系统结构和框架如图1所示。燃料电池系统主要由燃料电池电堆、氢气供应子系统、空气供应子系统、热管理系统、控制及监测系统组成。试验采用有30个单电池、活化面积为270cm2的电堆，电堆详细参数见表1。对于氢气供应子系统，来自高压氢罐（15MPa）的高纯氢气（大于99.99%）经减压阀和比例阀减压后进入电堆阳极流道，阴极反应产生的水扩散到阳极为氢气增湿。阳极气体压力由控制器控制，并与外部负载有关。同时电堆阳极运行于死端模式，通过控制吹扫阀，可以周期性地排出多余的水和残余气体，有助于电堆性能的恢复和提高。在空气供应子系统，空气经过过滤器由鼓风机供给电堆阴极，并为电堆阴极提供氧气。为了保证PEMFC电堆的输出性能，在进入电堆之前，采用博纯加湿器FC300对干空气进行加湿，电堆阴极出口湿空气为加湿器提供湿蒸汽。两个电磁阀由控制器控制，以确保电堆阴极入口的湿度。热管理子系统旨在使电堆运行在目标工作温度，包含两个回路：第一个回路装有PTC加热器，主要用于电堆低温启动模式；第二个回路包括散热器和风扇，用于电堆的正常运行模式。两个电磁阀用于控制冷却液回路。冷却水泵循环回路中的冷却剂（去离子水）将电堆产生的热量送入散热器和风扇进行耗散，使电堆温度保持在目标值范围内。所有传感器均能在-20℃以下工作，温度、压力、湿度传感器的精度分别为0.5%、0.25%和0.5%。在中心控制和监控子系统中，试验采用了菊水（KIKUSUI）电子负载7000-04，最大功率达到7000W。测试平台配有单电池电压监测设备（CVM），用于随时监测整个电堆30片单体电池的电压信息。采用上海尚毅公司的信号调理箱以驱动辅助系统（如风扇），并为传感器和阀门提供24V的电源。同时采用NI控制器和Veristand软件进行实时控制和试验观测。

图1 燃料电池系统测试台架原理图

表1 试验电堆详细参数

1.2 试验工况及条件

试验参考同济大学自制工况[29]，同时借鉴Hou等[30]测试工况和方法，并结合本试验用燃料电池系统测试平台，加载的动态工况电流如图2所示。整个动态工况共620s，动态工况包括怠速、部分功率运行、额定功率运行和超负荷运行等。试验过程中，将该电流循环曲线导入燃料电池测试系统电子负载控制软件Wavy中，对电堆的运行条件进行设置，氢气压力保持在20kPa（表压），阳极吹扫阀的开启频率为0.5/4s，空气质量流量设置为12g/s，阴极进气湿度≥90%，控制电堆冷却液出口温度为55～60℃，进出口温差保持在5℃以内，同时实时记录相应的电压响应及其他参数变量。

图2 动态工况负载电流图

2 结果与分析

2.1 电堆性能随工况的变化

PEMFC电堆首先进行了2h的稳定运行，待性能稳定后进行动态工况的运行拉载测试。图3为电堆输出电压和功率随运行工况的变化情况。电堆电压和功率跟随电子负载的需求（即电流）的变化而发生相应变化，在电流阶跃变化过程中，电压和功率都出现了明显的上调和下冲现象，文献[31-33]对这种现象进行了解释和描述。当负载电流突然增大时，更多氢离子从阳极迁移到阴极而引起短暂的膜失水（电渗拖拽作用），导致欧姆阻抗增加，阴极水增多，进而发生水淹，造成电堆瞬时缺气，并处于瞬时“饥饿”状态，出现电堆电压下冲现象。然后由于反扩散作用从阴极到阳极侧，膜重新达到水合状态，气体供应恢复稳定，电压性能逐渐恢复到稳定状态。当负载电流突然下降时，阳极电拖效应降低，阴极的多余水由于反扩散的作用使膜更加湿润，导致欧姆内阻降低，同时由于气体供应量更加充足，造成电堆性能出现上调现象，随着电堆内部水热传递和气体传质趋于稳定，电堆的输出性能逐渐恢复至稳定状态。电堆在整个动态工况下输出良好，在额定和超负荷情况下也能保持良好的输出状态，电堆的最大稳态输出功率达到了3600W，电堆电压为18V。此外，电堆的下冲现象比上调现象更加明显，主要是因为阶跃增加的电流略大于阶跃降低的电流。电流越小，电堆阴极产生的水越少，膜水合和气体供应更容易达到平衡状态，电堆性能输出更容易达到稳定状态。对于电堆的功率响应，在电流阶跃转换过程中，由于电压输出采集的滞后性，功率会出现瞬态上调和下冲，上调现象更加明显，最大上调量在电流从67A变化到170A时产生，最大输出值为3785W，这是由于电流突然阶跃变大过程中，电堆内部转移的电荷更多，瞬态滞后性稍长，上调量更大且更明显，但总体持续时间都很短，在1s以内，此后功率的变化趋势跟随电压的输出趋势，最后达到稳定的输出状态，直到下一个阶跃引起相应的变化。

图3 电堆电压和功率随动态工况的运行变化

图4是全动态工况下，单电池最高电压、最低电压、平均电压及电堆效率随时间的变化情况。单电池的平均电压、最高电压、最低电压基本保持相似的输出趋势，但是在超负荷（200A）运行状态下，单电池之间电压波动更加明显，特别是单电池最低电压，当动态工况运行至500s时，单电池最低电压开始持续下降，下降到0.486V，与最高单电池电压（0.637V）相差0.151V，而平均电压为0.6V，单电池电压输出的均衡性持续变差，电堆的运行稳定性降低，进而会引起耐久性的下降，因此，在实际运行过程中应该避免该现象的出现。最低单电池电压出现在第一片单电池，这是由于大电流情况下单电池出现了水淹状况，导致气体传质受阻，引起供气不足，单电池性能输出下降。在实际的车载燃料电池大功率电堆中，单电池由于气体分布的不均匀性可能引起更大的性能输出差异，不仅会造成单电池输出性能的降低，甚至会引起反极现象。电堆效率的计算如式(1)所示。

图4 单电池最高、最低、平均电压及电堆效率随工况动态的变化

式中，V标为燃料电池标准状态下的可逆电压[34]，V标=1.23V。故电堆最高效率在低电流区间取得，最大为72.5%，最低效率在高电流区间取得，最低效率为47.5%。但在实际工况下，低电流区间内气体（氢气）利用率偏低，会引起较大的氢气浪费，所以此低压燃料电池系统气体供应需特别优化。

图5展示了动态工况下气体供应和电堆进出口冷却液温度情况。在动态运行过程中，吹扫阀按照设定频率开启，故电堆氢气压力出现周期性波动，但氢气进气压力基本维持在20kPa（相对压力）。空气质量流量也基本上保持在12g/s，同时阴极进气相对湿度保持在90%以上，阴极对应进堆压力约为15kPa（相对压力）。即使在氢气吹扫阀的开启时刻，氢气进气瞬时压力增加，最高达到34kPa，也依然维持膜两侧压差在50kPa的范围内，保证膜电极的机械强度。电堆冷却液出口温度总体上维持在55～60℃之内，但在超负荷运行情形下，电堆产热量大，电堆出口冷却液温度上升明显，最高达到了62℃。此外，电堆冷却液进出口温度的变化趋势基本相同，小电流下进出口温差较小，大电流下进出口温差较大，特别是在200A运行状况下，进出口温差持续增大，但也低于5℃，满足试验目标值要求，同时也保证了燃料电池在整个反应截面积上的温度梯度，降低了热应力对膜电极的影响，增加了燃料电池电堆的耐久性。

图5 氢气压力、空气进气流量、湿度、冷却液进出口温度随工况的变化

2.2 单电池电压均衡性

燃料电池电堆运行过程中单电池之间均衡性差异与燃料电池的寿命和可靠性有很大关系，具体分析动态工况响应过程中单电池的均衡性变化，对提高运行过程中的均衡性和燃料电池的耐久性具有重要意义。

燃料电池单电池之间电压均衡性差异可用电压差异系数Cv表示[29,35]，如式(2)所示。

式中，Vi为第i片单电池输出电压；为单电池平均电压；N为单电池数量。图6为单电池电压差异系数Cv值随工况的变化情况。电流阶跃变化时刻，电堆的均衡性变化很大，出现了瞬时激增的现象，总体上电流阶跃降低时刻的Cv突变值为7%～9%，而电流阶跃增大时刻的Cv突变值在11%～13%，Cv出现更加明显的变化量，这是由于电流突增引起单电池之间更大的气体供应不均，膜阳极侧失水造成的欧姆阻抗增大也会加剧单电池电压输出的不均匀性。同时也对应于图7中电堆电压更加明显的下冲现象。

图6 C v值随工况的变化

燃料电池电堆在超负荷运行状况下，Cv值呈现持续增大的趋势，表明电堆的均衡性逐渐变差，最高达到了4.95%。此时，电流出现了阶跃变化，造成电堆均衡性急剧变化，如图7所示，为Cv最大时刻及其前后时刻各个单电池的电压情况。蓝色线条为Cv为4.95%时刻单电池电压，可以看到电堆前端几片单电池和中间单电池电压呈现较低状态，主要是因为前端几片单电池容易出现水淹状况，造成性能下降。中间单电池由于温度较高，使得膜更易失水，内阻增大，输出性能较低。故燃料电池在超负荷运行情形下一定要保证气体供应充足，避免电堆不均衡性的增加。当负载电流出现阶跃变化时，电堆内各单电池之间电压响应的不同会造成更大的不均衡性，如红色线条所示，即一些单电池已经变化到变载后电流（5A）所对应的电压，而另外一些单电池依然处于上一时刻状态，Cv值达到19.41%，单电池之间对电流的敏感性差异造成了变载过程中出现巨大的不一致性。变载完后，此时电子负载控制为小电流情形，电堆单电池之间输出性能良好，电压均衡性很好，Cv值达到0.38%。

图7 C v值最大及其前后时刻单电池电压

图8为不同电流且电堆稳定运行情况下各单电池电压分布图。随着拉载电流的增加，单电池电压差异系数Cv变大，即单电池电压均衡性下降，这是由于电堆进气歧管结构导致进入每片单电池的气体流量并不均匀，其次拉载电流的增加造成反应物消耗量增加，会进一步造成单电池之间输出性能的差异性，造成Cv值增加，电堆均衡性下降。当电堆在170A额定电流下运行时，此时空气的化学计量比为6.57，单电池电压并未出现明显的下降趋势，呈现出较高的均衡性，故对于低压燃料电池系统，应该通入更高化学计量比的气体量以维持燃料电池的输出性能。

图8 不同电流值下的单电池电压

2.3 电堆动态响应特性

在动态运行响应过程中，电堆输出电压将随着电流的阶跃变化而发生响应输出变化，并经过一个过渡过程达到稳定状态，因此，研究动态响应变化过程特性具有重要意义。针对动态响应试验，探究了3个动态响应参数，即电堆电压最大阶跃幅值、电压波动率和动态阻抗因子。

动态响应电压阶跃幅值如式(3)所示，V为电流阶跃变化后电堆电压对应的输出值；Vs为此电流下电堆输出的稳态电压；ΔV为电堆输出电压与稳定值之差。图9为电堆电压针对电流变化时刻出现的最大变化幅值。可以从图中看到，电堆电压的下冲值总是大于上调值，最大的上调值大约为0.6V，基本上等于电压的最小下冲值，电流的阶跃增加对电堆电压输出的影响总是大于电流的阶跃降低对电堆电压输出的影响，这是由于电流阶跃增加时，电堆对气体的需求增加，更容易造成瞬态供气不足，同时膜中由于电拖效应导致阳极失水，膜阻抗增大，导致阶跃电流的变化对瞬态电压输出下冲影响更大。此外，电压的最大下冲值和上调值都随着阶跃的变化先增加后降低，最大的下冲值为1.23V，此时电流由50A阶跃变化到150A，阶跃变化为100A，电堆冷却液出口温度为55.5℃。而当电流从68A阶跃到170A时，阶跃变化为102A，电堆冷却液出口温度约为59.6℃，最大的下冲值为0.67V，小于1.23V。这是因为电堆温度的升高会提高流道中气体的饱和蒸气压，同时降低液态水的表面张力和黏度，随着蒸发率的提高，瞬时水淹发生的可能性降低[36]，更好地保障了电堆瞬时气体的供应，电堆电压的下冲值呈现出较低的状态。

图9 电堆电压最大上调和下冲值

图10为电流阶跃变化时，动态响应过程中的电压波动率，可由式(4)[31]表示。由于气体的快速补充，初始阶段电压波动率随着时间而快速减小，然后随着阴极水的反扩散和膜中水合作用，电压波动率变得缓慢，并逐渐趋于0。电压下冲的波动率明显大于电压上调的波动率。上调的波动率几乎都处于0.02以下或者在很短的时间内达到稳定状态（＜0.02)[31]。电压下冲的波动率最高值为0.063，但电压响应的下冲变化能在10s内使输出电压达到一个相对稳定的状态（＜0.02），即燃料电池在阶跃动态响应过程中表现出良好的稳定性。

图10 动态响应过程中电堆电压的波动率

图11表示燃料电池动态响应过程中的动态阻抗值，动态阻抗可由式(5)[36]表示，ΔI为电流阶跃变化值。虽然阶跃上升的电流大于阶跃下降的电流，但由于电压变化幅值较大，总体上下冲时的动态阻抗大于电压上调时的变化，最大的动态阻抗为12.48mΩ。此外，在整个动态过程，动态阻抗都处于降低的过程中，说明电堆电压都处于向稳态变化的过程中。由于从I3=17A时阶跃电流（68A）较小，所以整个变化过程较缓慢，但整个动态响应过程动态阻抗因子在20s内都小于2mΩ，同时电堆的动态阻抗值也持续偏小。

图11 动态响应过程中的动态阻抗图

3 结论

本文利用低压燃料电池系统在燃料电池台架上对车载动态工况进行了试验探究，根据试验结果分析了动态工况下的输出特性、单电池电压均衡性和动态响应特性，总结如下。

（1）电流阶跃变化过程中，电堆单电池电压均衡性出现激增现象，最大Cv值达到19.41%，电堆输出功率也瞬间突增变化到3785W。随着电流的升高，稳定运行下电堆均衡性下降。超负荷运行状态下，电堆前端和中间处单电池电压输出较低，为保证燃料电池在高负荷运行状态下正常运行，对于低压燃料电池系统，应该供应大化学计量比的气体以保证电堆的输出性能。

（2）电堆电压下冲的最大幅值总是大于电堆电压上调的最大幅值，即电流阶跃增大对电压输出的影响更大。同时整个动态过程电压响应的上调和下冲值都能在10s内达到一个相对稳定的状态（电压波动率＜2%），具有良好的动态输出性能。

本研究通过研究低压燃料电池系统的动态输出响应测试，为燃料电池电堆实际车载运行与控制提供参考，以充分发挥电堆输出性能并提升其耐久性和可靠性。由于负载变化后，其气体供应参数也应该改变，后期应进一步分析负载动态变化后气体供应的控制策略等方面。