基于車用動(dòng)態(tài)循環(huán)工況,對(duì)車用燃料電池堆進(jìn)行1044h耐久性實(shí)驗(yàn)?；趯?shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),從電流和運(yùn)行時(shí)間兩個(gè)方面進(jìn)行燃料電池堆電壓一致性研究,發(fā)現(xiàn)電壓一致性隨電流的增加和運(yùn)行時(shí)間的延長而變差。在此基礎(chǔ)上,提出一種改進(jìn)的單體電池電壓一致性評(píng)價(jià)方法,指標(biāo)包括:電壓最大偏差率、單體電壓波動(dòng)率和單體電壓異眾比率。在改進(jìn)的評(píng)價(jià)方法中,綜合考慮3 個(gè)指標(biāo)來評(píng)價(jià)單體電池電壓的一致性,避免單一指標(biāo)的片面性。該方法能客觀地評(píng)價(jià)電壓一致性,具有廣泛的適用性。

1、燃料電池堆耐久性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)采用G700 臺(tái)架(Green Light Innovation 公司)。PEMFC電堆由75 片單體電池串聯(lián)組成,參數(shù)見表1。氣體出入口一側(cè)的單體電池定義為1 號(hào),其余單體電池編號(hào)依次增加。

表1 燃料電池堆的參數(shù)

根據(jù)新歐洲循環(huán)測(cè)試(NEDC)的特點(diǎn)和實(shí)際車輛行駛情況,將NEDC 循環(huán)轉(zhuǎn)化為適用于車用燃料電池堆耐久性臺(tái)架實(shí)驗(yàn)的循環(huán)工況。該循環(huán)工況包含怠速、加速、減速和勻速等日常車用工況及額定工況的特征功率點(diǎn)。

在耐久性循環(huán)工況實(shí)驗(yàn)中,一次循環(huán)為20 min。實(shí)驗(yàn)完成3 134 次循環(huán)工況,燃料電池堆共運(yùn)行1 044 h(最后一次極化曲線測(cè)試在1 044 h 處)。每60 次循環(huán)進(jìn)行一次極化曲線測(cè)試,記錄各單體電池的電壓,共51 條極化曲線,如圖1 所示。

圖1 燃料電池堆的極化曲線

從圖1 可知,隨實(shí)驗(yàn)時(shí)間的延長,極化曲線不斷向下(低電壓方向)移動(dòng),說明燃料電池堆的性能逐漸衰減。

2、電壓一致性與電流和運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

目前,常用圖形法和單體電壓波動(dòng)率Cv 來體現(xiàn)燃料電池堆的電壓一致性。圖形法將單體電池的電壓制成折線圖,橫、縱坐標(biāo)分別為電池編號(hào)和電壓。 Cv 是單體電池電壓標(biāo)準(zhǔn)偏差與平均值之比,計(jì)算公式見式(1)。

式(1)中:Ui 為各單體電池的電壓;N 為燃料電池堆中單體電池的數(shù)量;ˉU 為單體電池電壓的平均值。

Cv 越大,燃料電池堆中單體電池電壓分布越分散,電壓一致性越差。燃料電池堆Cv 的變化情況見圖2。

圖2 單體電壓波動(dòng)率的變化情況

從圖2 可知,Cv 隨電流和運(yùn)行時(shí)間的變化而變化,因此電流和運(yùn)行時(shí)間影響電壓的一致性。有鑒于此,實(shí)驗(yàn)從電流和運(yùn)行時(shí)間兩方面,分析單體電池電壓的一致性。

2.1 電流的影響

在0 h、360 h、746 h 和1 044 h 時(shí),不同電流下單體電池的電壓分布情況見表2。

表2 不同運(yùn)行時(shí)間時(shí)單體電池在不同電流下的電壓分布

從表2 可知,在開路時(shí),單體電池電壓較高,分布較均衡,最大值和最小值相近。隨著放電電流的增加,單體電池電壓逐漸降低,分布出現(xiàn)明顯波動(dòng)。這是由燃料電池的極化特性決定的。燃料電池的極化損失包含:活化損失、歐姆損失和質(zhì)量傳輸損失。隨著燃料電池堆電流的增大,歐姆損失和質(zhì)量傳輸損失都將增大,單體電池電壓有所下降。在額定電流下,單體電池電壓低,分布離散程度大。

在0 h、360 h、746 h 和1 044 h 時(shí),Cv 與電流的關(guān)系如圖3 所示。

圖3 單體電壓波動(dòng)率與電流的關(guān)系

從圖3 可知,電流不高于40 A 時(shí),Cv 較低且隨放電電流的增大沒有明顯變化,電壓一致性較好。隨著電流的進(jìn)一步增大,Cv 顯著增大。在額定電流135 A 下,Cv 分別達(dá)到1.37%、4.00%、1.88%和5.14%,電壓一致性較開路時(shí)惡化嚴(yán)重。這主要是由于在中高電流區(qū)間,燃料電池堆內(nèi)部的氣體傳質(zhì)不均勻,生成水的質(zhì)量傳輸過程復(fù)雜且不穩(wěn)定,溫度分布不均勻,導(dǎo)致單體電池之間的性能差異較大,從而影響燃料電池堆的電壓一致性。

2.2、運(yùn)行時(shí)間的影響

燃料電池堆電流分別為20 A、60 A、100 A 和135 A 時(shí),單體電池電壓分布隨運(yùn)行時(shí)間的變化見表3。

表3 不同電流下單體電池電壓分布隨運(yùn)行時(shí)間的變化

從表3 可知,實(shí)驗(yàn)開始時(shí),單體電池電壓相近。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加,單體電池性能衰減,電壓分布波動(dòng)增大,電壓一致性變差。到實(shí)驗(yàn)后期,單體電池間的電壓差異進(jìn)一步增大,出現(xiàn)少數(shù)電壓極低的單體,電壓一致性較實(shí)驗(yàn)開始時(shí)惡化嚴(yán)重。電流為135 A,運(yùn)行時(shí)間為540 h 和1 044 h 時(shí),性能最好和最差的單體電池電壓差距分別達(dá)到0.202 V 和0.139 V。

不同電流下,Cv 隨運(yùn)行時(shí)間的變化見圖4。

圖4 單體電壓波動(dòng)率與運(yùn)行時(shí)間的關(guān)系

從圖4 可知,在電流為0 A 和20 A 時(shí),Cv 隨運(yùn)行時(shí)間的延長沒有明顯變化,始終低于1%,電壓一致性較好。在電流為60 A 和100 A 時(shí),Cv 在實(shí)驗(yàn)前中期緩慢波動(dòng)上升,在后期顯著上升。在電流為135 A 時(shí),Cv 隨運(yùn)行時(shí)間的延長而快速增大,在實(shí)驗(yàn)后期923 h 時(shí)超過9%。

3、電壓一致性評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)

3.1、現(xiàn)有電壓一致性評(píng)價(jià)方法的缺陷

分析燃料電池堆的電壓一致性時(shí),圖形法能直觀地反映單體電池電壓的波動(dòng)。每當(dāng)額外加入一個(gè)影響單體電池性能的因素時(shí),圖的數(shù)目會(huì)顯著增加,或在坐標(biāo)上增加一個(gè)維度,因此圖形法不適用于多因素下電壓一致性的分析。在不借助其他評(píng)價(jià)指標(biāo)時(shí),圖形法很難定量分析電壓一致性。

單體電壓波動(dòng)幅值ΔU 和單體電壓均方根值σx 常用于燃料電池堆電壓一致性的評(píng)價(jià)。單體電壓波動(dòng)幅值是單體電池電壓的極差,計(jì)算公式見式(2),反映電壓波動(dòng)范圍的大小。單體電壓均方根值是單體電池電壓的標(biāo)準(zhǔn)偏差,計(jì)算公式見式(3),反映電壓的離散程度。

式(2)中:Umax、Umin 分別為燃料電池堆中單體電池電壓的最大值和最小值。

ΔU 和σx 越大,燃料電池堆的電壓一致性越差。當(dāng)兩組數(shù)據(jù)的測(cè)量范圍太大或數(shù)據(jù)量綱不同時(shí),直接使用極差和標(biāo)準(zhǔn)偏差來進(jìn)行比較是不合適的,因此,ΔU 和σx 不適用于對(duì)比分析不同燃料電池堆或同一燃料電池堆不同電流和衰減過程時(shí)的電壓一致性。

Cv 是單體電池電壓的變異系數(shù),是σx 與ˉU 的比值,反映單體電池電壓的離散程度。 Cv 是一個(gè)無量綱的評(píng)價(jià)指標(biāo),彌補(bǔ)了σx 的不足;但僅能反映單體電池電壓的平均離散程度,很難包含單體電池電壓波動(dòng)的全部信息。圖5 所示為相同Cv 下的單體電池電壓分布。

圖5 相同單體電壓波動(dòng)率下的單體電池電壓分布

圖5 中,兩種電堆狀況下的Cv 均為1.28%,但后者的波動(dòng)率幾乎由7 號(hào)單體電池單獨(dú)導(dǎo)致,其余單體電池電壓分布緊密,而前者各單體電池電壓分布均相對(duì)離散。這表明,僅從Cv 的大小來判斷燃料電池堆電壓一致性,是不充分的。

3.2、電壓一致性評(píng)價(jià)方法的改進(jìn)

3.2.1、電壓最大偏差率(Dv)

因?yàn)槿剂想姵囟训倪\(yùn)行壽命取決于性能最差的單體電池,所以有必要對(duì)單體電池電壓的最小值偏離平均值的程度進(jìn)行監(jiān)測(cè)。定義電堆單體電池電壓的平均值與最小值的相對(duì)差為電壓最大偏差率(Dv),計(jì)算公式見式(4)。

Dv 越大,單體電池電壓的波動(dòng)范圍越大,電壓一致性越差。若Dv 過大,則有極低單體電壓出現(xiàn),甚至?xí)霈F(xiàn)反極。

相比于ΔU,Dv 中包含了性能較差的單體電池的信息,而這對(duì)燃料電池堆運(yùn)行壽命更重要。式(4)的分子為單體電池電壓的平均值與最小值之差,而不是單體電池電壓的最大值與最小值之差,可避免由于最高單體電池電壓波動(dòng)帶來的極大值影響,更有利于電壓一致性的評(píng)價(jià)。 Dv 是一個(gè)無量綱的評(píng)價(jià)指標(biāo),可用于不同燃料電池堆或同一燃料電池堆不同電流和衰減過程時(shí)的電壓一致性對(duì)比。

3.2.2、單體電壓異眾比率(Rv)

在統(tǒng)計(jì)學(xué)中,異眾比率定義為總體中非眾數(shù)次數(shù)與總體全部次數(shù)之比,是一個(gè)反映離散程度的相對(duì)指標(biāo),常用于度量數(shù)據(jù)的離散程度。將該指標(biāo)應(yīng)用于燃料電池堆單體電壓一致性評(píng)價(jià)中,定義電壓在[Umin,Umin+0.75Dv·ˉU]以內(nèi)的單體電池為非眾數(shù),數(shù)量為n,則Rv 定義為該類單體電池?cái)?shù)量占燃料電池堆單體電池總數(shù)量的百分比,計(jì)算公式見式(5)。

系數(shù)取0.75 可防止公式用于單體電池?cái)?shù)量較少的燃料電池堆時(shí),Rv 不能靈敏地反映單體電池電壓分布的變化。

Rv 是一個(gè)無量綱的評(píng)價(jià)指標(biāo),能反映單體電池電壓的分布情況。當(dāng)Rv 較低時(shí),單體電壓波動(dòng)由少數(shù)偏差較大、電壓較低的單體電池導(dǎo)致,應(yīng)對(duì)它們給予更多的關(guān)注,避免出現(xiàn)反極或失效。當(dāng)Rv 較高時(shí),表明可能有較多單體電池的電壓偏差明顯。

3.3、改進(jìn)方法的電壓一致性分析

燃料電池堆單體電池的電壓最大偏差率Dv 變化見圖6。

圖6 單體電池的電壓最大偏差率

從圖6 可知,在中小電流區(qū)間,Dv 低于5%,隨運(yùn)行時(shí)間的增加無明顯變化,說明單體電池電壓的分布范圍小,電壓一致性較好。隨著電流的增加,Dv 變大。在額定電流135 A下,Dv 隨運(yùn)行時(shí)間延長而迅速增大。在400 ～600 h 和900 ～1 000 h 時(shí),Dv 超過20%,說明單體電池電壓分布范圍很大,可能出現(xiàn)性能很差的單體電池,電壓一致性惡化嚴(yán)重。

燃料電池堆單體電池的電壓異眾比率Rv 變化見圖7。

圖7 單體電池的電壓異眾比率

從圖7 可知,在電流低于50 A 時(shí),Rv 高于30%,且隨運(yùn)行時(shí)間的延長無明顯變化,說明單體電池電壓分布較為均衡,電壓一致性較好。隨著電流的增加,Rv 變小,說明燃料電池堆中的電壓分布出現(xiàn)較為明顯的分級(jí)現(xiàn)象。在額定電流135 A 下,Rv 隨運(yùn)行時(shí)間延長而增大,說明燃料電池堆的電壓分布由實(shí)驗(yàn)前期少量單體電池電壓較低,變?yōu)楹笃谳^多單體電池電壓偏差均較大,電壓一致性變差。

采用圖5 中兩個(gè)不同電流和不同時(shí)刻下的電堆狀況,對(duì)改進(jìn)的燃料電池堆電壓一致性評(píng)價(jià)方法進(jìn)行驗(yàn)證。

圖5 中,當(dāng)電流為135 A 和運(yùn)行時(shí)間為20 h 時(shí),燃料電池堆單體電池電壓的Dv 為6.83%,Cv 為1.28%,Rv 為5.33%;當(dāng)電流為20 A 和運(yùn)行時(shí)間為801 h 時(shí),燃料電池堆單體電池電壓的Dv 為10.41%,Cv 為1.28%,Rv 為1.33%。從Dv 看,20 A、801 h 時(shí)的單體電壓波動(dòng)范圍更大,可能存在電壓較低的單體電池;從Cv 看,兩者單體電壓的平均偏差近似;從Rv 看,20 A、801 h 時(shí)的值很小,則存在極個(gè)別電壓偏差較大的單體電池。

綜合3 個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo),兩者單體電池電壓分布的平均波動(dòng)相同,但20 A、801 h 時(shí)的單體電壓波動(dòng)范圍更大,且主要是由極少數(shù)偏差較大的低壓單體導(dǎo)致,而135 A、20 h 時(shí)的各單體電壓間偏差較為均衡。這表明,燃料電池堆在135 A、20 h時(shí)的電壓一致性更好。

評(píng)價(jià)方法所得結(jié)果符合圖5 中的單體電池電壓分布狀態(tài),因此改進(jìn)后的評(píng)價(jià)方法能客觀、全面地反映燃料電池堆的電壓一致性情況。

4、結(jié)論

本文作者對(duì)燃料電池堆進(jìn)行了1 044 h 的耐久性實(shí)驗(yàn),進(jìn)行51 次極化曲線測(cè)試并記錄單體電池電壓數(shù)據(jù),分析燃料電池堆電壓一致性的影響因素,并提出一種改進(jìn)的燃料電池堆電壓一致性評(píng)價(jià)方法。得到如下結(jié)論:

電壓一致性與燃料電池堆的電流、運(yùn)行時(shí)間有關(guān)。隨著電流的增加,單體電壓波動(dòng)率變大,燃料電池堆的電壓一致性變差。在電流低于40 A 時(shí),單體電壓波動(dòng)率隨運(yùn)行時(shí)間延長的變化不明顯。在中大電流下,單體電壓波動(dòng)率隨運(yùn)行時(shí)間的延長快速變大,在實(shí)驗(yàn)后期達(dá)到9%,燃料電池堆電壓一致性惡化。

與單體電壓波動(dòng)率相比,改進(jìn)的電壓一致性評(píng)價(jià)方法中,評(píng)價(jià)指標(biāo)包含最大偏差率、單體電壓波動(dòng)率和單體電壓異眾比率。最大偏差率隨電流的增加和運(yùn)行時(shí)間的延長而變大。單體電壓異眾比率隨電流的增大而減小,隨運(yùn)行時(shí)間的延長而變大。

該方法可用于不同燃料電池堆或同一燃料電池堆不同電流和衰減過程時(shí)的電壓一致性對(duì)比,能客觀地對(duì)燃料電池堆電壓一致性進(jìn)行綜合評(píng)價(jià),全面地反映燃料電池堆中單體電池電壓的分布狀況,具有廣泛的適用性。