摘 要：启动工况是车用发动机的主要动态工况之一，燃料电池发动机在启动过程中的效率特性可以很好地反映该发动机的动态性能。通过试验研究的方法分别对氢气利用率、燃料电池堆效率以及系统效率随着启动时间的变化特性进行了分析，并对负载上升时出现的效率异常现象进行了研究。最终得到了燃料电池发动机在启动过程中的效率特性和影响效率的因素。
关键词：燃料电池发动机；启动过程；效率特性；启动工况测试
中图分类号：U467.2+1文献标文献标识码：A文献标DOI：10.3969/j.issn.2095-1469.2013.02.02
质子交换膜燃料电池以其高效率，室温启动快等优点，成为燃料电池汽车的首选动力源。车用燃料电池发动机（Fuel Cell Engine，FCE）在运行的过程中，和传统内燃机一样必须面临66%～80%的动态工况，因此对其动态特性的研究显得尤为重要。目前对于燃料电池发动机动态性能的研究文献很多，但此类研究大多数是集中在电压与电流之间的关系上，通过建模或者仿真分析考察电极极化等因素对输出电压的影响，而关于燃料电池效率的影响只是从电压效率、氢气利用率等方面做定性分析[1-3]。Hou 等人[4]对稳态效率特性进行分析，并建立了燃料电池发动机效率与电流等之间关系的数学模型。影响燃料电池发动机效率的因素有很多，膜电极的性能、燃料电池堆的设计制作水平和装配工艺、以及燃料电池发动机的运行环境和加湿情况等都会对其有所影响，很多文献主要从操作参数如行压、输入气体流量、输入气体加湿温度和电池温度等对效率的影响方面进行了具体分析[5-8]。启动工况是车用发动机的主要动态工况之一，本文通过对燃料电池发动机在启动过程中的效率特性试验研究及分析，旨在得到效率在动态工况下的变化规律及影响因素，为改善燃料电池发动机动态性能提供理论依据。
1 试验方法
1.1 试验台原理
本文的燃料电池发动机启动工况测试是基于同济大学自主开发的燃料电池发动机测试平台进行的，图1是测试平台结构图。
如图1所示，整个测试平台包括控制系统、辅助电源系统、氢气供应系统、电子负载系统和被测对象FCE五大部分。辅助电源系统由20 kW直流电源和12 V蓄电池组成，20 kW直流电源给FCE的辅助系统提供电源，12 V蓄电池给FCE控制系统提供控制电源；氢气供应系统包括氢气瓶、质量流量计以及减压阀等，向FCE提供减压后的氢气；电子负载给FCE进行加载；控制终端通过PLC控制柜对氢气流量、燃料电池发动机的输出电压和电流等参数进行实时检测，测试平台的所有子系统由PLC控制柜和控制终端来控制。
测试所用FCE的额定功率为45 kW，燃料电池堆由560片单电池串联组成，有效工作面积为270 cm2。
1.2 启动工况测试
燃料电池发动机的典型起动状态分为冷启动和热启动两种方式。冷机方式是指燃料电池发动机（冷却液加注完成）在规定的温度和湿度条件下保温足够长的时间以保证燃料电池发动机内部温度与环境温度相同；热机方式是指使燃料电池发动机工作在一定功率，同时监测燃料电池堆冷却液的出口温度，一旦燃料电池堆冷却液的出口温度达到正常工作温度，即认为燃料电池发动机达到热机状态。冷启动与车辆的实际启动情况相对应，故本文采用冷启动测试，启动初始环境温度为12.8 ℃。
测试按照连续加载方式进行，功率增量值为10% PE（额定功率）。图2是FCE启动过程中的燃料电池堆电流的变化曲线。启动2 s后燃料电池发动机功率从0启动到15 kW，电流由0增至34 A，由于燃料电池堆温度上升缓慢阻碍了反应的进行，功率等级越大，上升所需的时间也越长，故电流在60%～80%额定功率范围内持续时间较长。由图2可知，燃料电池堆电流在燃料电池发动机的启动时间为450 s，启动完成后电流为122 A，随着启动时间的增加，电子负载阶跃增加，电流瞬间上升，并有一个超调量，经过1 s左右然后下降到稳态。
2 FCE效率变化规律分析
质子交换膜燃料电池通过氢气和氧气的氧化还原反应将化学能转化为电能，其化学反应方程为
燃料电池效率是指燃料中转化为电能的那部分能量占燃料中所含能量的比值。当氢和氧反应生成液态水时，其标准电池电动势为1.229 V，根据电化学反应可以从理论上得到燃料电池堆的理论效率，但进入燃料电池堆的氢气无法被全部利用，一些氢气没有反应就排出电池，故燃料电池堆的实际效率需要考虑电池堆的理论效率和氢气利用程度两方面的影响。
除了燃料电池堆之外，一个完整的燃料电池发动机系统还需要包括氢气供应系统、空气供应系统、水热管理系统和控制系统在内的辅助系统的支持，故燃料电池发动机的系统效率还需考虑辅助系统的影响。下面从氢气利用率、电池堆效率和系统效率三方面来分析燃料电池发动机在启动过程中的效率变化规律。
2.1 氢气利用率的特性
单电池反应消耗的氢气流量与电流之间的关系符合Faraday定律，而燃料电池堆通常由若干片单电池串联到一起，则燃料电池堆氢气流量hflow与电流I之间的关系如下。
，
式中：N为燃料电池堆中单电池的片数；m为氢原子的摩尔质量（2.016）；n为反应所包含的电子数（2）；F为Faraday常数（96 485 C/mol）。
对于质子交换膜燃料电池来说，由氢氧的化学反应方程可知水在阴极生成。电池工作过程中，阴极区吹入过量空气以供给反应所需氧气，同时空气可以将绝大部分多余的水分吹扫出去。但是由于质子交换膜非常薄，生成水容易从阴极扩散到阳极区域。由于电解质的质子传导能力与水含量成正比，水的这种迁移一方面能使电解质处于湿润状态，从而具有良好的质子传导能力，而另一方面当水含量过高时会引起电解质淹没，并导致阳极和气体扩散层中的孔道被水堵塞。因此燃料电池的阳极必须具备排出过量水的能力，一般采用间歇性排出氢气的方法，故实际的氢气流量与电流之间并不是严格的正比关系。
图3为启动过程中的氢气流量试验值，随着启动时间的增加，实际氢气流量总体上呈逐渐增加的趋势。发动机启动刚开始时氢气流量较大，这是为了扫除残留在燃料电池阳极内的杂质气体。电流阶跃上升时，氢气流量也上升，由于电磁阀门相对于电流变化的滞后性，氢气流量并不是直接达到稳态值，而是有一定程度的滞后，然后再逐渐趋向稳态值。排氢时氢气流量先急剧增加而后急剧减小，随着负载的增加，排氢的频率上升，而排氢的幅值变化减小。
为了更好地表征燃料电池发动机整个系统对于氢气的利用程度，定义理论氢气流量与实际氢气流量之比为氢气利用率，计算公式如下。
图4为氢气利用率的变化特性，启动开始后氢气的利用率以较快的速度急剧增加，随着启动时间的增加，当电流达到一定值后，氢气利用率增加趋势变缓，说明在大电流区域内燃料电池堆排氢量较大，理论氢气流量与实际氢气流量之间的差值随着电流的增加而增加。电流阶跃上升时，由于氢气流量的滞后特性，氢气利用率先上升后下降，峰值甚至可能超过100%。排氢时由于氢气流量的急剧增加，氢气利用率出现周期性回落的现象，随着排氢幅值变化的减小，氢气利用率的波动幅值也减小。
2.2 燃料电池堆效率特性
质子交换膜燃料电池工作过程中不涉及氢气和氧气的燃烧，仅仅是氢气和氧气通过化学反应生成水来提供电能，因此燃料电池的效率不遵循卡诺循环的效率极限。如果氢气的吉布斯自由能都转化为电能，效率即为100%，但是由于电池内部存在由于活化极化、欧姆极化和浓差极化等引起的不可逆损失，理论上的燃料电池效率（以低热值计算）可由下式计算得到。
图5是燃料电池堆的理论效率变化曲线，由图可知燃料电池堆的理论效率在50%～80%之间，随着启动时间的增加电池堆的理论效率总体上缓慢下降。电池堆电流阶跃上升时，燃料电池堆的理论效率下降，并有一个低调量，随着启动时间的增加，逐渐上升到稳态。这是因为当电流阶跃上升时，电渗透拖拽作用使大量的水从阳极转移到阴极，而水的反向扩散较慢，导致阳极的干化，从而出现膜的内阻突增，电压急剧下降。一定时间后反扩散作用使阳极的干化现象得到一定的恢复，膜的内阻也有一定程度的减小，电池堆电压逐渐上升到稳态。所以说明了燃料电池堆的理论效率特性与单电池相同，即燃料电池堆的理论效率与电压成正比。
图6是燃料电池堆实际效率的变化特性。刚启动时氢气利用率非常低，导致燃料电池堆的实际效率出现极值，从而出现理论效率与实际效率之间的差异。随着启动时间的增加，实际效率总体上先急速上升然后缓慢下降，燃料电池堆效率在50%左右波动，波动幅值随着时间的增加逐渐减小，波动频率增加，这是因为排氢时氢气流量急剧增大，随着排氢的结束氢气流量减小，燃料电池堆的实际效率先下降然后上升，此时氢气利用率是影响燃料电池堆效率的主要因素。在电流阶跃上升时，实际效率急剧上升，此时燃料电池堆实际效率的影响因素主要有两个方面：一是电池堆电压下降，导致电池堆功率下降；二是电池堆氢气流量的滞后特性，使氢气流量滞后于功率的变化，氢气流量偏小。在这个过程中，氢气流量的滞后特性对效率的影响更加明显，所以总体效果使燃料电池堆效率急剧上升。
2.3 FCE系统效率特性
燃料电池发动机的系统效率是指发动机的输出功率与实际氢气流量的化学能之比，计算式如下。
图7是FCE系统效率的变化特性。与燃料电池堆的实际效率的变化特性相同，刚启动时系统效率很小，随着启动时间的增加，系统效率总体上先急速上升然后缓慢下降。系统效率在45%左右波动，由于排氢导致的波动幅值随着时间的增加逐渐减小，波动频率增加。电流阶跃上升时，氢气利用率增加，故系统效率急剧上升。
燃料电池发动机的输出功率为电池堆功率与辅助系统功率的差值，故系统效率也可以表示为
式中：PA为辅助系统功率，kW。计算式表明辅助系统功率与电池堆效率的比值PA/PS越小，系统效率越大。
可定义辅助系统功率与电池堆功率之比PA/PS为电堆功率因子，反映了辅助功率在燃料电池堆总输出功率中所占的比重，也反映了整个发动机系统的匹配情况。图8是电堆功率因子随启动时间的变化曲线，2 s以前，电池堆的功率为0.2 kW左右，而辅助系统消耗的功率为0.56 kW，辅助系统功率超过了电池堆功率，功率因子PA/PS远大于1，20 kW直流电源提供了超出部分的功率，但由于功率值都很小，故对系统效率影响不大。2 s时燃料电池堆的功率由0.2 kW阶跃上升至15 kW，由2 s到220 s的时间段内PA/PS基本稳定在5%，电流阶跃上升时，PA/PS急速增加并有一个超调量，然后下降到稳态值，220 s后PA/PS逐渐上升至7%。
对比图6和图7可知，启动时间在2 s以前的系统效率与电池堆效率基本为0，2 s时系统效率与燃料电池堆效率的差值迅速增加，增加到最大值9%后，然后缓慢减小并逐渐趋于稳定在5%左右。由图8可知，这是因为随着启动时间的增加，辅助系统功率占燃料电池堆功率的比值逐渐在增大。故系统效率与燃料电池堆效率之间差值的变化是由于辅助系统消耗功率导致的。
2.4 FCE效率异常现象
由燃料电池发动机在启动过程中的效率变化规律可知，电流阶跃上升时，氢气利用率和效率急剧上升，甚至会出现氢气不足而引起电池堆实际效率大于理论效率的异常现象，氢耗量滞后性引起的氢气不足是导致效率异常的主要原因，电流上升时有一个超调量对效率异常也有影响。当氢气不足以提供所需的电流时，阳极电势升高，电池堆中会发生水电解反应和碳氧化反应来提供氢离子和电子。
水电解生成氧气会使阳极腔发生氢氧混合，在铂电极的作用下发生迅速的化学反应，使局部温度迅速升高，可以导致质子交换膜被烧穿，引起电池组的失效。而碳作为电极的支撑体发生氧化后，一方面引起电极孔结构的变化，影响到反应气体的传质，另一方面附着在电极的电催化剂也会发生流失，导致电极活性的下降。从而加速电池性能的衰减，降低电池堆的寿命，因此在燃料电池发动机运行当中应尽量避免氢气不足以及效率异常的出现。
3 结论
（1）燃料电池堆的理论效率与电压成正比，实际效率随着启动时间的增加而急剧增加，当实际效率达到最大值后，随着启动时间的增加，实际效率缓慢减小。氢气利用率是造成燃料电池堆实际效率与理论效率变化规律不同的唯一因素。
（2）燃料电池发动机的系统效率随着启动时间的增加而急剧增加，当系统效率达到最大值后，随着启动时间的增加，系统效率缓慢减小。氢气利用率和辅助系统功率对系统效率特性影响显著。
（3）由于氢气流量相对于功率变化的滞后性，功率阶跃上升时，氢气容易出现不足，从而导致燃料电池发动机的效率异常，影响燃料电池发动机的性能。
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