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豐田Mirai燃料電池低溫環(huán)境系統(tǒng)控制開發(fā)

2020-04-15 23:31:17·  來源：燃料電池干貨  
　
從水熱管理角度看，質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)成功的關(guān)鍵在于催化層被冰完全覆蓋前溫度上升至冰點(diǎn)之上。針對(duì)2008款FCHV-adv車型在低溫啟動(dòng)階段存在的水含量測(cè)量
從水熱管理角度看，質(zhì)子交換膜燃料電池低溫啟動(dòng)成功的關(guān)鍵在于催化層被冰完全覆蓋前溫度上升至冰點(diǎn)之上。針對(duì)2008款FCHV-adv車型在低溫啟動(dòng)階段存在的水含量測(cè)量精度欠佳、啟動(dòng)過程氫氣欠氣等問題，豐田汽車公司在量產(chǎn)版Mirai分別采用了氧氣傳輸阻力評(píng)估水含量和駐車吹掃排水等方法。
 
豐田汽車公司自1992年開發(fā)燃料電池汽車以來，不斷在燃料電池關(guān)鍵性能方面取得突破和技術(shù)進(jìn)步，如效率、續(xù)航、耐久性和低溫啟動(dòng)性能。在低溫環(huán)境下，燃料電池系統(tǒng)輸出功率比在正常工作溫度下降低較多。豐田汽車公司針對(duì)2008款FCHV-adv在低溫環(huán)境適應(yīng)性方面存在的主要問題，如水含量測(cè)量精度低、低溫啟動(dòng)輸出功率較低、啟動(dòng)過程氫氣欠氣、電堆和系統(tǒng)組件停車吹掃耗時(shí)耗能等問題進(jìn)行全面改良和升級(jí)，最終實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)版Mirai燃料電池汽車低溫啟動(dòng)能力巨大提升。
 
 
豐田Mirai高溫環(huán)境測(cè)試
 
 
豐田Mirai低溫環(huán)境測(cè)試
為在較高含水量狀態(tài)下實(shí)現(xiàn)零下啟動(dòng)，豐田汽車公司為此采取了提高電池內(nèi)氧氣擴(kuò)散效率、開發(fā)3D fine-mesh流場(chǎng)(提高排水能力)、水含量精確測(cè)量技術(shù)、駐車吹掃控制策略等技術(shù)方案。其中，水含量精確測(cè)量技術(shù)采用低頻阻抗實(shí)現(xiàn)對(duì)燃料電池堆在高含水量水平下的含水量精確測(cè)量，駐車吹掃控制策略針對(duì)Mirai系統(tǒng)關(guān)機(jī)一段時(shí)間后對(duì)從陰極反擴(kuò)散至陽極的水分(水分再分布)進(jìn)行吹掃排水(停車吹掃在前，駐車吹掃在后)。
 
豐田Mirai動(dòng)力系統(tǒng)
零下啟動(dòng)問題起源
豐田Mirai燃料電池動(dòng)力系統(tǒng)如上圖所示，工作過程可大致描述為：氫瓶高壓氫氣經(jīng)過壓力調(diào)整后經(jīng)噴射器進(jìn)入電堆陽極，未參與反應(yīng)氫氣經(jīng)循環(huán)泵循環(huán)利用再入堆；空氣中氧氣經(jīng)空壓機(jī)增壓后進(jìn)入電堆陰極，空氣截止閥調(diào)節(jié)背壓。
陰極電化學(xué)反應(yīng)的產(chǎn)物水絕大多數(shù)通過空氣出口排出，但仍有一部分水分通過質(zhì)子膜反擴(kuò)散至陽極，通過陽極出口排出電堆。因此，在Mirai燃料電池系統(tǒng)的氫氣供給系統(tǒng)中，安裝了氣液分離器，液態(tài)水通過電磁閥(purge valve)排出電堆，水蒸氣再循環(huán)至電堆陽極入口改善電堆濕潤(rùn)性水平。但在低溫環(huán)境下，燃料電池電堆和系統(tǒng)零部件內(nèi)水分冷凝和結(jié)冰，影響發(fā)電效率。
 
低溫啟動(dòng)水管理
對(duì)于燃料電池陰極，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物水結(jié)冰，冰晶填充多孔介質(zhì)內(nèi)孔隙，阻礙氧氣傳輸。因此，為順利輸送氧氣，燃料電池電堆必須在產(chǎn)物水結(jié)冰并覆蓋陰極催化層前溫度上升至冰點(diǎn)以上。換言之，零下啟動(dòng)的要求可以表述為Wini+Wgen
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