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【引言】
“雙碳”背景下,汽車行業正在加速能源轉型,質子交換膜燃料電池(PEMFC)以其排放零污染、能量轉化效率高、無噪聲、低溫輸出功率穩定等技術優勢越來越受到車端動力應用場景的重視,但在大規模應用浪潮面前,技術層面需要解決的問題還有很多,其中最重要的一個問題就是低溫環境下的啟動問題。
PEMFC是將燃料中的化學能轉化為電能,其主要產物為水,在冰點以下低溫環境中,如果水狀態處理不當就會結冰,從而造成擴散層(GDL)-催化層(CL)-質子交換膜(MEM)界面分層(ab)、PTFE從GDL脫落(c)、質子膜表面粗糙穿孔(d)、催化層出現裂紋(e)、聚合物和鉑顆粒分離(f)等直接影響PEMFC性能及壽命衰退現象發生。
圖1 PEMFC低溫結冰導致的電池衰退現象
從車端溫度應用場景考慮,以0℃邊界,低溫下排放物水結冰是必須要克服和攻關的技術開發難點,未勢能源電堆開發部針對這一行業技術難點,在電堆級冷啟動試驗開發過程中的低溫預工況運行、停機吹掃與儲存以及低溫啟動三個階段,不斷優化調整開發策略,通過結冰機理仿真計算、優化算法迭代尋優及試驗驗證的開發思路,探尋關機吹掃冷凍儲存及低溫啟動過程兩個最重要開發階段電堆不結冰的控制邊界,更新迭代電堆冷啟動策略與電堆總成、零部件及材料層設計,最終實現-30℃電堆無冰冷啟動。
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預工況運行 結合實車需求場景
不同的車端應用場景會導致低溫關機前的運行工況復雜多樣,而不同的關機前運行工況會造成電堆內水的量及空間分布的差異,未勢能源依托長城汽車整車多年的載荷路譜積累,運用高精度修正的仿真模型進行燃料電池電堆級實車運行工況的轉化,從而基于實車客戶需求場景更全面的反應了電堆關機前的水的狀態,為下一步的關機吹掃,探尋冷凍儲存不結冰邊界提供了真實可靠的準入邊界條件,克服了業內供需場景不一致的現象,站在真實需求角度進行產品開發。
圖2 基于長城整車開發實車路譜轉化仿真模型
圖3 電堆級實車運行預工況
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關機吹掃低溫儲存
解決低溫儲存結冰問題
電堆級冷啟動技術開發中結冰的控制主要體現在關機吹掃后冷凍過程中結冰的控制及冷啟過程中生成的水結冰的控制兩個階段,究其根本就是要解決低溫下的水熱管理問題。膜電極中的離聚物具有吸收自由液態水成為結合水的能力,結合水低溫不呈現結冰狀態,為充分利用結合水該物理特性,圖4是膜電極含水量的說明示意圖。吹掃過于干燥雖然能夠保證低溫儲存過程中沒有冰的出現,但是在冷啟動過程中會由于膜過于干燥質子傳輸受阻而冷啟動失敗,吹掃過于濕潤,會有自由水析出形成冰阻塞損壞氣體流通通道并破壞膜電極,因此保證在關機吹掃時膜電極合適的儲水量是此階段的重中之重。
圖4膜電極儲水能力示意圖
高頻阻抗(HFR)是監測電堆內部干濕程度評價電堆吹掃結果的最終參數,未勢能源依托自身強大的測試資源全矩陣進行吹掃后HFR及冷凍后HFR實際數據測量,同時結合冷啟動過程中電壓變化曲線,選取分析合適的吹掃結果能夠保證低溫出巡過程中沒有冰的出現。
圖5 冷啟過程電堆結冰電壓變化曲線
圖6 冷啟過程電堆無冰電壓變化曲線
未勢能源通過該種試驗矩陣來觀察分析控制啟動過程中電壓變化趨勢宏觀表征,確定吹掃目標HFR逆向和電堆吹掃策略,保證了冷凍儲存過程中膜電極合適的含水量,克服了低溫儲存結冰控制這一技術難題。
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低溫啟動
虛擬迭代優化計算+實驗驗證開發
為解決低溫啟動難題測試周期長、測試費用高同時測試輸出宏觀表征參數有限的行業開發現狀,未勢能源采用虛擬模型計算分析+優化算法迭代選優+瞬態試驗驗證的方法對電堆級的冷啟動策略進行開發調整。
未勢能源結合仿真計算模型,通過科學的方法獲取低溫條件下電堆零部件材料級的物性參數(行業內由于測試資源及測試技術大部分采用的是常溫下測量進行低溫特性外推),并將測試獲取的仿真物性邊界進行經驗公式的擬合與修正并整合進仿真計算模型,獲得了具有宏觀表征如極化曲線,溫度及歐姆阻抗等高精度和高普適性的仿真計算模型(圖7所示),通過該模型的計算縮短了產品開發周期和開發成本。
圖7 冷啟動電堆級仿真計算模型的精度標定及普適性驗證
在策略開發尋優過程中,當前工程應用開發大部分采用樣本人為均勻撒點及全矩陣試驗的方法,不可避免的會受到撒點梯度和試驗方案量的限制,最終獲得最優點不一定是實際的最優點。未勢能源通過科學的樣本撒點法(如田口)+優化理論方法(遺傳基因算法)結合的方式,用最小的樣本量在限制邊界內(啟動時間,結冰量、結冰均勻度等)獲得最優的工程最優解。
圖8 樣本撒點
圖9 最優約束邊界?
圖10 冷啟動最優啟動策略
仿真計算作為輔助工具進行產品的開發,工程實踐開發還需要結合試驗,圖11為捕捉到的一次典型的電堆級低溫啟動過程HFR變化過程,結合仿真結果對其進行冷啟過程水真實狀態進行分析。
圖11 電堆低溫啟動過程中阻抗變化值
低溫啟動過程中,通過HFR阻抗值可以實現水飽和,結冰、融冰及動態水平衡過程的瞬態分析,達到實時監測電堆低溫啟動過程中水的氣固兩相變化過程,從而調整啟動策略并進行零部件設計及材料端的物性改進。
未勢能源通過虛擬和試驗聯合的開發流程,實現了無冰的冷啟動技術開發,從機理層面解決了電堆低溫狀態下冷凍儲存結冰對膜電極產生的不可逆轉的破壞作用及冷啟動過程中結冰造成的堵塞反應流道導致冷啟失敗的現象發生,為燃料電池擴寬低溫應用場景提供了根本性保證。
原文始發于微信公眾號(未勢能源):技術專題 | 低溫環境下,未勢能源電堆冷啟動開發解析