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丰田燃料电池矮温启动技术

时间:2019/11/26  点击量:73

来源 | 燃料电池干货

车用燃料电池发动机必须进走高原、高寒、高温三项试验,以验证编制对凶劣环境的适宜能力。高原试验挑衅空压机相通流量的升压能力和燃料电池对做事条件的敏感性,高温试验挑衅冷却编制动态相答能力和最大散炎能力,高寒试验挑衅燃料电池堆设计能力(堆炎容量、膜电极矮温性能、膜电极与冷却液间炎阻)、燃料电池编制设计能力(冷却幼循环回路容积、末了单片与集流板和端板阻隔炎能力、循环泵破冰能力)、燃料电池编制调控能力(温度调节、水含量调节、电压与电流调节、空气流量与压力调节)。

丰田、当代和本田均报道已实现燃料电池堆-30℃时30秒迅速启动并对外输出功率,冷启动次数和燃料电池寿命均得到有效保障,久经国际市场考验。与此同时,国内各大燃料电池编制供答商厂家,也均报道其燃料电池编制达到相答的技术指标,但未见报道其在用户端庄重的冷启动次数和循环寿命,表明还有很长的路要走。丰田在2014岁暮宣布公开其通盘燃料电池专利,当然吾们预期能够集齐冷启动过程中一切子编制的操纵思路,然而很怅然,在笔者查阅丰田诸众论文和专利后,发现丰田尚未公开从-30℃升温到0℃过程中冷却编制操纵手段、氢气供给操纵手段、空气编制压力操纵手段。尽管这样,吾们以丰田在SAE会议论文为蓝原本分享其在电压与电流调节、空气流量调节方面的思路,同时在文平分享吾们的一些相关推想。

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丰田Mirai冷启动思路

燃料电池迅速冷启动的基本思路是,行使燃料电池的浓差过电势拉矮燃料电池对外输出效果,将尽能够众的化学能转化为炎能用于燃料电池堆本体添炎,行使冷却编制幼循环均衡燃料电池堆的单片外貌温度迥异和单片间温度迥异。浓差过电势本意是指,燃料电池电化学反答不息消耗氧气,导致燃料电池空气编制实际供给氧气分压力(等效于浓度)与阴极催化剂层内氧气分压力分别,氧气分压力差值外现为气体扩散层内的压力梯度、促进氧气朝着催化剂层扩散,催化剂层内氧气分压力越矮则氧气还原反答的活化过电势越高,结相符活化过电势提高与氧气分压力迥异,从而量化为浓差过电势。

结相符燃料电池电压公式,议决挑高浓度过电势而使燃料电池输出电压降矮并挑高内部发炎量,是最为有效的一栽手段:理论可反电势是固定的,活化极化与温度相关而温度是环境与编制共同决定的,欧姆极化与水含量和温度相关而水含量必须准确操纵以按捺结冰,浓差极化与空气过量系数和空气压力相关且是变通可调的。

矮温极化弯线

丰田给出了一组极化弯线,以描述分别温度下(注:过量空气系数、过量氢气系数、空气压力和氢气压力未知),燃料电池输出电压与电流的相关,并将此极化弯线行为后续编制操纵的参照。随后,丰田给出了一张图,用于描述分别电流下(注:温度未给出),浓差过电势与过量空气系数间的量化相关,请珍惜:总体上(大面积单片会有迥异),相通过量空气系数时,电流越高、浓差过电势越高。为了简化操纵过程(与电流无关),相通过量空气系数时,将最矮浓差过电势行为浓差过电势操纵器的最幼批准值,即冷启动过程中浓差过电势必须高于此数值。请珍惜:丰田并未给出浓度过电势与温度相关,但在气体扩散层内,60℃时氧气的有效扩散系数约是-30℃时氧气的有效扩散系数的1.8倍(经典文献中公式);温度越高,浓差过电势越幼。

过量系数与浓差过电势相关

在此基础上,丰田以燃料电池升温速率行为操纵现在标,给出空气流量操纵策略。简述为:根据燃料电池升温需求炎功率(升温速率乘以炎容)与燃料电池需求输出功率(比如附件编制需求功率,由于丰田燃料电池车电池容量很幼)之和,以及单片理论可反电势和单片数目,计算现在标输出电流;根据燃料电池需求输出功率和现在标输出电流,计算现在标输出电压(丰田燃料电池DC/DC变换器采纳输入电压操纵手段);根据燃料电池温度(必须保证冷却幼循环处于起伏状态,否则温度阻止确)和现在标输出电流,查外(燃料电池参照极化弯线)计算燃料电池在参照做事条件下输出电压;根据燃料电池参照输出电压与现在标输出电压之差,计算浓度过电势;根据浓度过电势,查外得到过量空气系数;根据电流和过量空气系数得到燃料电池空气流量,并操纵空压机达到预期。

空气流量操纵策略

请珍惜:图中空气流量操纵策略为前馈开环手段,实际浓度过电势与电流、温度、过量空气系数都是相关的,燃料电池输出电流只会导致浓度过电势高于查外值,所以燃料电池升温的炎功率需求是过已足的。当然燃料电池输出功率有所降矮,但倘若冷启动过程中动力电池SOC消极批准的话,可不采纳闭环操纵。

氢泵效答暗示

当丰田采纳前述空气流量操纵策略后,用燃料电池发动机开展试验,发现空气出口氢浓度很高。分析后得出,降矮空气流量(即使空气过量系数高于1),导致氢泵效答显现,氢离子(质子)代替氧气在阴极催化剂层与电子结相符重复活成氢气。结相符当代公司给出的燃料电池寿命恢复手段,吾们发现冷启动过程中的氢泵效答是有助于燃料电池耐久性的(尽管冷启动的总体感觉是不幸于寿命的)。从降矮空气路的氢浓度起程(注:氢气坦然是专门主要的,这是燃料电池编制操纵中必须时刻已足的请求,也是空气编制流量的收敛),丰田开展试验标定了空气出口氢浓度与过量空气系数间的相关,同时给出了燃料电池输出电压与过量空气系数间的相关(注:温度、电流均未给出)。

过量空气系数与电压、阴极侧氢气浓度相关

过量系数与阴极氢气浓度相关

方程1用于描述理论的空气路的氢气流量,计算依据是:燃料电池输出电流中,刨除过量空气系数所对答的氧气通盘发生电化学反答所能挑供的电流,即为氢泵效答在空气路生成的电流。根据氢泵效答公式,可计算氢气流量。

方程2用于描述在分别的过量空气系数下,理论空气路的氢气流量与实测的燃料电池堆和燃料电池单片的氢气流量之迥异,挑出了对公式1进走修整的依据:进入燃料电池的空气流量并未依照过量空气系数的预期通盘发生电化学反答(基本不受过量空气系数影响),二者迥异在单片层面相对固定,即为Δs;燃料电池堆的单片之间存在供气迥异,用σ(n)来描述各单片空气起伏阻力迥异所导致的供气迥异,即燃料电池堆的空气路的氢气流量相对较高且惟独当过量空气系数高于某值,才会降矮为零。

过量空气系数与电压、阴极侧氢气浓度相关

丰田又给出了一张比较详细的有数据的图,方便行家理解。为了维持空气侧的氢气浓度矮于2%,过量空气系数不及矮于1.03,浓度过电势不及高于146 V(浓差过电势越高,氢气浓度越高)。在考虑空气路的氢气浓度的基础上,丰田调整了空气流量操纵策略,此时空压机出口后空气同时流经燃料电池堆空气路、旁通路。请珍惜:燃料电池现在标空气流量QFC是来自于原空气流量操纵策略的。操纵策略简述为:根据燃料电池现在标输出电流和现在标过量空气系数,查外得到空气路的氢气流量;根据燃料电池现在标输出电流,计算理论空气消耗流量;根据燃料电池的空气路的现在标氢气浓度,计算降矮氢气浓度的现在标空气总流量;将燃料电池现在标空气流量与降矮氢气浓度的现在标空气总流量中的最大值,行为空压机流量操纵现在标;根据空压机流量操纵现在标和燃料电池现在标空气流量,查外得到压力调节阀门开度、旁通阀开度。

空气编制实走器操作流程

有有趣的是,在调节压力调节阀门开度的时候,用燃料电池实际输出电流与现在标输出电流之差进走PI操纵,修整压力调节阀门开度,推想其主意是:调控燃料电池堆的空气容积内的压力,调节燃料电池空气出口带走的水含量,即调控燃料电池堆的水含量。

降矮阴极出口氢气浓度的电压最幼值

在丰田给出的燃料电池极化弯线参照基础上,丰田认为倘若不考虑稀释氢气浓度,刨除了前述的146 V浓差过电势,得到新的燃料电池极化弯线,即为燃料电池的输出电压最幼批准值。当采纳了稀释氢气浓度的空气流量操纵策略以后,燃料电池输出电压不受此限定。

末了,丰田给出了一组试验数据,以展现其冷启动过程,有两张图,对比着进走理解,分为三个阶段。第一个阶段A,燃料电池实走迅速冷启动操纵模式,直到燃料电池温度提高到0℃为止,在此期间燃料电池编制不具备驱动车辆的能力。期间,燃料电池输出功率约为4 kW,燃料电池输出电压约为40 V,丰田指出燃料电池单片数目为400(对答2008款FCHV-ADV),燃料电池发炎功率约为52 kW=(400*1.4-40)*4/40 kW。在30 s内,燃料电池从-20℃提高到0℃,考虑到前10秒内燃料电池发炎功率较矮,那么燃料电池基本能够达到1℃/秒的升温速率,对答燃料电池编制炎容量约为52 kJ/℃(不区张开尔文K和摄氏度℃)。倘若冷却幼循环回路容积为4L,那么冷却液炎容量为16.8 kJ/℃,而燃料电池堆的单片重量总和为66.4 kg=400*0.166 kg,燃料电池堆自己比炎容约为0.53kJ/kg/℃(这是基于倘若得到的),大于铁的比炎容(0.43kJ/kg/℃)。当冷却回路容积达到5.1 L时,燃料电池堆自己比炎容约为0.43 kJ/kg/℃,才干与铁的比炎容相等。石墨比炎容是0.72 kJ/kg/℃,水比炎容是4.2 kJ/kg/℃,也就是相通质量的物质,石墨和水的炎容量更高,那么燃料电池堆自己的比炎容肯定要高于0.43 kJ/kg/℃,也就是冷却幼循环回路的容积肯定是幼于5.1 L的。

趁便吾们能够估算下水含量所带来的炎容量,倘若气体扩散层厚度为200*2=400 μm,孔隙率为0.7,被水含量所占有的孔隙率为0.1,单单方积为250cm2,那么400片燃料电池的水含量所带来的总炎容量为[400*10^(-6)*0.1*250*10^(-4)]*400*1000*4.2=1.68kJ/℃,远幼于燃料电池堆自己的炎容量52 kJ/℃。倘若膜电极厚度为15 μm,倘若膜电极内有70%空间足够水,其总炎容量为0.44 kJ/℃,催化剂层内水炎容量不会大于膜电极内的。石墨气体扩散层所带来的炎容量约为[400*10^(-6)*0.3*250*10^(-4)]*400*2200*0.72=1.9 kJ/℃。也就是说,膜电极添气体扩散层的总炎容量,不及燃料电池堆添冷却幼循环回路炎容量的10%。

所以,水含量调节的主要主意是按捺结冰,在一篇丰田专利中,笔者看到一个说法“必须保证催化剂层内不及足够液态水”。以此为依据,停机过程中水含量操纵直接决定了冷启动初起阶段在众长时间内是基本不必不安水结冰的。当根据燃料电池输出电流和交流阻抗展看燃料电池单片内水含量将超过阈值时,倘若空气出口温度照样不及0℃,那么空气只能以强制带水而非水分挥发的手段排水,那么调节压力的作用有限(矮于0℃时,水蒸气的饱和蒸汽压挨近于0),高孔隙率是专门有协助的。

-20℃矮温启动测试

从燃料电池堆炎均衡的角度起程,冷却幼循环回路流量是要不息调节的。在整个冷启动过程中,燃料电池的温度是异国突变的,所以一旦冷却幼循环回路掀开后,必然是一向保持水起伏的,并且必然是在前30秒内发生的。

矮温启动过程性能

第二个阶段B,燃料电池既进走自添炎的操纵手段,又对外输出功率用于驱动车辆,直到燃料电池温度提高到60℃并达到安详。期间,空气压力调节阀门开度全开,旁通阀意外掀开,这就必要已足燃料电池输出电压最幼限值的限定,如图中的180 V恒定电压,燃料电池DC/DC变换器的恒压操纵也是有题目的,尤其当外界需求功率蓦地减幼的时候,所以丰田选择由180 V切换到240 V。请珍惜:两张图中阶段B的电压纷歧样。第三个阶段C,燃料电池进入一般运走模式。

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