客车用燃料电池系统耐久性研究

梁满志， 范志先， 冯海明， 崔庆虎， 于任雯川

(中通客车股份有限公司, 山东 聊城 252000)

氢燃料电池汽车是我国新能源汽车战略的重要组成部分,发达国家纷纷将其列入未来汽车发展方向。我国也出台了一系列政策与规划引导氢燃料电池技术和市场的进一步发展，并开展小批量示范运营。但目前国内氢燃料电池汽车在商业化过程中还存在一些瓶颈问题，如核心技术与国际先进水平仍有差距、产业链相对薄弱、耐久性有待进一步提升等。

1 燃料电池客车技术现状

1.1 国外技术现状

国外先进的燃料电池系统在耐久性、功率密度等性能方面取得明显进步，成本方面显著降低，已进入小批量产业化阶段。国际上主要商用车企业的客车用燃料电池参数对比见表 1。

表1 国际上主要商用车企业的 FCE 参数

根据美国可再生能源实验室总结近2年美国FCBUS的运行情况报告，燃料电池平均运行时间已达到14 000 h，其中最长运行时间(巴拉德)已经超过25 000 h[1]。

1.2 国内技术现状

目前我国的氢能燃料电池尚属于产业发展初期。总体来说，与国外先进的燃料电池相比还有一些差距[2]。除了催化剂、碳纸、质子交换膜、空压机、氢循环泵等关键材料和零部件的产业化能力有待提升、技术标准体系仍需完善之外，可靠性与耐久性等与国际先进水平也存在一些差距，尤其在车载工况下的可靠性与耐久性有待提高。燃料电池可靠性与耐久性不仅与燃料电池电堆有关，还依赖于系统的集成与控制，包括氢气供给、空气供给、水热管理等。因此，需加强燃料电池各子系统及控制策略研究，尤其要加强车载工况、低温、杂质等实际运行环境下性能衰减机理与环境适应性研究，从而大幅提升燃料电池产品的可靠性与耐久性[3]。

2 燃料电池系统耐久性控制技术

2.1 影响燃料电池寿命的因素

根据燃料电池的性能衰减机理，特别是在关键材料与部件失效、电堆内部状态一致性和运行工况影响等方面[4]，影响燃料电池寿命的因素如下：

1) 启动-停机循环。会造成阴极催化剂表面积损失、催化剂层水聚焦、膜形成穿孔。其原因主要是催化剂颗粒由于碳腐蚀减小、催化剂层形态由于碳腐蚀发生劣化、干-湿循环形成机械应力等导致膜的机械性能减弱。

2) 负载循环变化。会造成阴极催化剂表面积损失和膜形成穿孔。其原因主要是电位循环会导致催化剂流失，湿度、温度和压力循环会形成机械应力，导致膜的老化。

3) 怠速。会造成膜穿孔和膜质子交换能力下降，主要是由于过氧化氢的化学攻击和膜分解物会导致膜中毒。

4) 大负载。会导致高温条件下催化剂颗粒熟化，进而造成催化剂表面积损失。

5) 苛刻的环境条件。会造成催化剂表面积损失、膜的质子传输能力损失和GDL气体渗透能力损失。主要原因是高温环境下催化剂颗粒熟化、空气/氢气杂质污染和流道内灰尘聚焦。

本文从燃料电池客车的整车运行工况和燃料电池系统的控制方面论述燃料电池耐久性控制技术。

2.2 燃料电池系统整车级耐久性控制技术

目前，基于成本和技术现状的考虑，氢-电混合是燃料电池客车的主流技术路线，它集合了全功率燃料电池汽车(FCV)与纯动力电池汽车(EV)的优点[5]，其动力系统构型如图1所示。

图1 燃料电池客车动力系统构型

采用氢-电混合的控制策略，在匀速行驶阶段，燃料电池发动机提供功率；在加速或爬坡行驶阶段，燃料电池发动机和动力电池共同提供功率[6]。燃料电池系统整车级耐久性控制技术主要包括：

1) 尽量让燃料电池发动机工作在特定功率区域，减少变载可以稳定质子交换膜两侧压差，减弱由于膜的机械运动而导致的性能衰减和催化剂的流失。

2) 设定较宽的动力电池SOC区间，避免燃料电池发动机频繁变载。

3) 怠速和启停将导致较为严重的燃料电池寿命衰减问题，故设定较宽的动力电池SOC区间对应于燃料电池的启动/停机工况，减少启停次数。

根据以上情况，在原有整车控制策略的基础上，优化燃料电池的启停控制和功率需求控制，优化前后的整车控制策略见表2。

表2 燃料电池客车整车控制策略

2.3 燃料电池系统部件级耐久性控制技术

1) 燃料电池单体(单电池)电压过高会造成单电池中的双极板和碳纸中的碳被氧化，进而造成催化剂铂的流失，导致燃料电池寿命缩短[7]。开路、怠速、低载都会使单电池电压升高，其中开路状况会在燃料电池发动机启停时出现。所以降低单电池电压过高的控制策略是：设置宽动力电池SOC区间，避免燃料电池频繁启停；燃料电池启动后不让其输出功率处于怠速状态；对升压DC/DC的请求功率跟随单电池电压进行PID控制，避免单电池电压超过0.8 V；在升压DC/DC上加装放电电阻，停车时燃料电池关机断高压后，迅速接通放电电阻，使高单电池电压能够迅速恢复到正常值以下。

2) 电堆阳极积水会造成氢饥饿，氢饥饿同样会造成铂催化剂被氧化，进而影响燃料电池的耐久性。可通过增加氢气循环泵转速，提供充足的氢气使氢气流道中产生的水被流动的氢气带走，从而避免阳极积水。

3) 通过化学空滤和交流脉冲扫描法恢复部分催化剂的活性。空气中的硫化物等杂质较多，对燃料电池铂催化剂是一个累积性的毒化作用。燃料电池系统的空气过滤器又称化学空滤，其主要原理是采用改性活性炭通过化学反应吸附SO2等杂质。除了定时更换化学空滤器外，还可采用在升压DC/DC中设置交流脉冲电源，对MEA膜上的铂催化剂中的SO2等杂质进行脉冲扫描，促使SO2等杂质发生电化学反应[8]，从而解除SO2等杂质占据铂催化剂的活性位，恢复氧化还原反应的进行，有效抵抗污染空气对燃料电池内部铂催化剂的毒化[9]。

目前车辆燃料电池系统的控制策略多采用基于简化的整车需求功率进行控制，即提前标定若干个燃料电池功率点进行稳态功率输出，比如6 kW、10 kW、12 kW、15 kW等。在这些功率点直接控制空压机转速/背压阀开度、比例阀开度/氢气循环泵转速或氢气喷射频率等参数，整车的需求功率在这些功率点进行选择或燃料电池只响应这些功率点下的需求。这种控制策略使燃料电池在稳态输出的情况下具备一定的耐久性，但如要将燃料电池放在车载动态工况下进行动态功率输出响应，则还需要对燃料电池进行更加复杂的技术控制。本文对以上控制策略进行了优化改进，开发了燃料电池系统的多模式耐久性控制策略，如图2所示。

图2 燃料电池系统多模式耐久性控制策略

3 燃料电池系统耐久性测试

3.1 燃料电池系统台架耐久性测试

采用自主研发的燃料电池发动机，匹配30 kW的燃料电池电堆。基于图2所示的多模式耐久性控制策略，进行燃料电池耐久性台架试验。经过500 h的耐久测试，数据显示性能没有降低。如图3所示。

图3 燃料电池电堆性能测试结果

3.2 燃料电池客车实际道路耐久性测试

选取40辆燃料电池客车订单中的5辆车，采用表2和图2所示的优化后整车控制策略和燃料电池系统多模式耐久性控制策略，进行30 000 km的实际道路运行试验并跟踪其状态，燃料电池系统耐久性测试结果如图4所示。

图4 道路行驶30 000 km燃料电池耐久性测试结果

此5辆车运行12 000 km左右时普遍出现燃料电池性能提升，略有超过预期的情况，其中3号车的情况见表3。其原因为电堆经过一段时间的工作活化，其内部的湿度等指标优于初始值。另外，其中3号车在27 000 km左右时，电堆电流和电堆功率衰减较为明显，超过2%，原因是此时正值冬季供暖时间，空气中的SO2杂质较多，其化学空滤提前达到饱和，无法过滤更多的有害气体。除更换已饱和的化学空滤外，还对燃料电池电堆启动交流脉冲扫描法恢复措施[9]，从而燃料电池的性能得到回升。3号车的运行数据见表3和图5。其余4辆车经过30 000 km的跟踪观察，其衰减幅度在0.7%～1.7%，均在预期的合理范围内。

表3 3号车燃料电池耐久性数据变化率

图5 3号车路测试过程中电堆数据变化曲线

4 结束语

本文介绍了国内外燃料电池客车技术现状，分别从燃料电池客车整车角度和燃料电池系统的角度探讨了燃料电池的耐久性控制技术，通过减缓燃料电池性能衰减的控制方法，开发了燃料电池多模式耐久性控制策略，并进行燃料电池的台架测试和实际道路测试验证。