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機(jī)電工程學(xué)院
畢業(yè)設(shè)計(jì)外文資料翻譯
設(shè)計(jì)題目: GD1041型商用車(chē)傳動(dòng)軸、懸架設(shè)計(jì)
譯文題目: 壽命評(píng)估方法和操作條件對(duì)汽車(chē)燃料電池的影響
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文獻(xiàn)出處：中國(guó)機(jī)械工程雜志，2010（1）
壽命評(píng)估方法和操作條件對(duì)汽車(chē)燃料電池的影響
裴普成1, 袁星1, 李鵬程1, 2, 晁鵬翔1, 常倩妃1
1清華大學(xué)汽車(chē)安全與節(jié)能?chē)?guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084 ,中國(guó)
2北京航空航天大學(xué)交通科學(xué)與工程學(xué)院，北京100191 ，中國(guó)
摘要：壽命是汽車(chē)質(zhì)子交換膜燃料電池的重要的指標(biāo)之一。人們用來(lái)評(píng)價(jià)汽車(chē)的燃料電池的壽命通過(guò)實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)或者道路試驗(yàn)，通常需要花費(fèi)數(shù)千個(gè)小時(shí)甚至幾年的時(shí)間。 為了獲得快速評(píng)價(jià)技術(shù)，并尋求壽命延長(zhǎng)的方法，長(zhǎng)時(shí)間的研究成果得出，需要考慮車(chē)輛行駛工況和工作條件的因素。Bench試驗(yàn)，分別進(jìn)行了兩個(gè)一樣的燃料電池堆應(yīng)用在汽車(chē)上，并根據(jù)不斷變化的負(fù)載周期，起停周期，怠速和大負(fù)荷的四種操作條件，得到了兩個(gè)燃料電池堆的性能衰減率。其結(jié)果，預(yù)測(cè)的壽命，符合在實(shí)際道路上運(yùn)行的狀況。并在不同的負(fù)載條件下，完成了對(duì)燃料電池性能的衰減率的研究。于是，一個(gè)意外的發(fā)現(xiàn)是微電流操作對(duì)恢復(fù)燃料電池的性能有影響。汽車(chē)燃料電池的快速評(píng)估方法只需要駕駛循環(huán)，負(fù)荷循環(huán)，怠速工況和重負(fù)載條件下的四個(gè)試驗(yàn)，且整個(gè)過(guò)程只持續(xù)不到250個(gè)小時(shí)。這些實(shí)驗(yàn)的結(jié)果能用來(lái)預(yù)測(cè)各種實(shí)用新型或者駕駛循環(huán)的汽車(chē)用燃料電池的壽命，因而，優(yōu)化應(yīng)用模型以延長(zhǎng)燃料電池壽命。實(shí)際上在實(shí)驗(yàn)中，它已經(jīng)被證明是成功的，通過(guò)優(yōu)化操作模式，燃料電池的壽命可以從1100個(gè)小時(shí)延長(zhǎng)到2600個(gè)小時(shí)?？焖僭u(píng)估方法有助于開(kāi)發(fā)延長(zhǎng)燃料電池的壽命和燃料電池耗盡要更長(zhǎng)的時(shí)間。
關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；燃料電池耐久性；壽命評(píng)估方法；操作狀況改善
1引言
在車(chē)用替代動(dòng)力系統(tǒng)中，質(zhì)子交換膜燃料電池 （PEMFC） 具有傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)的很多優(yōu)點(diǎn)（ICE）。GRANOVSKII, et al[1],研究氫燃料電池和汽油車(chē)的生命周期。WANG, et al[2],發(fā)現(xiàn)通過(guò)仔細(xì)查看生產(chǎn)燃料的途徑，燃料電池汽車(chē)能夠達(dá)到預(yù)想的節(jié)能減排效益。THOMAS[3] and COLELLA, et al[4],，還發(fā)現(xiàn)了燃料電池的排放及能源優(yōu)勢(shì)。然而，質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性在汽車(chē)上應(yīng)用大大低于在靜止時(shí)的應(yīng)用[5-7]已成為阻礙燃料電池的發(fā)展。
通常，用普通的方式需要很大的開(kāi)支，以及大量的時(shí)間來(lái)評(píng)估燃料電池的壽命。同樣也存在著與膜電極組件（MEA）在靜止時(shí)燃料電池的應(yīng)用的一個(gè)26300個(gè)小時(shí)的電池壽命的測(cè)試報(bào)告。為了確定在操作電流密度為800 mA/cm2時(shí)，在4μV/h和6μV/h之間的電池性能退化率，花費(fèi)了3年時(shí)間才得到這些結(jié)果[ 8 ]。當(dāng)然，更嚴(yán)格的操作，花費(fèi)更少的測(cè)試時(shí)間。然而，它是遠(yuǎn)離燃料電池的實(shí)際工作條件，因此為了得到評(píng)估燃料電池壽命的可靠性結(jié)果，需要認(rèn)真的分析[9]
研究不同燃料電池的壽命相比發(fā)現(xiàn)燃料電池的降解機(jī)制是有意義的。和兩個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池的耐久性在不同的操作[ 5 ]中進(jìn)行了比較研究。在相同的操作條件下如何降解受到關(guān)注。
據(jù)證實(shí)，燃料電池的降解隨著不同的操作條件而變化。例如，燃料電池的工作負(fù)荷，燃料電池的空載，等[ 5]。這意味著優(yōu)化燃料電池的工作負(fù)荷，使有可能獲得額外的壽命。
在本文中，燃料電池汽車(chē)的駕駛循環(huán)基于燃料電池客車(chē)在實(shí)際加載城市道路上試驗(yàn)。給出了一種汽車(chē)用燃料電池壽命評(píng)估的方法，和兩個(gè)質(zhì)子交換膜燃料電池堆進(jìn)行了測(cè)試和在實(shí)驗(yàn)室他們的壽命進(jìn)行了評(píng)估。因此，在所有的操作條件下，進(jìn)行優(yōu)化操作模式致使燃料電池壽命退化。
2壽命快速評(píng)估的方法
2.1定義有關(guān)汽車(chē)燃料電池壽命的結(jié)束
在額定條件下，平常的燃料電池的電壓通常是0.7 V。我們定義這種汽車(chē)燃料電池的壽命終止是電池電壓下降0.07V或下降從起始的額定點(diǎn)10%在相同的電流[ 4 ]下。圖1.顯示了燃料電池壽命從開(kāi)始到結(jié)束的I-V測(cè)試曲線。
圖1 在現(xiàn)實(shí)的燃料電池公共汽車(chē)上定義燃料電池的壽命
2.2燃料電池的壽命評(píng)估的公式
每天都在一個(gè)確定的路線運(yùn)行，我們的試驗(yàn)燃料電池公交汽車(chē)已覆蓋了43 000公里的范圍內(nèi)?？紤]到公共汽車(chē)的負(fù)載狀況，實(shí)驗(yàn)室測(cè)試駕駛循環(huán)模擬車(chē)輛駕駛循環(huán)如下圖2和表1，包括13分鐘的高功率狀況，14分鐘怠速工況，56負(fù)載變化的周期和在1小時(shí)內(nèi)起停一次。
圖2 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試模擬駕駛循環(huán)
表1 實(shí)驗(yàn)室測(cè)試的燃料電池的工作狀態(tài)
燃料電池工作狀況
數(shù)值
負(fù)荷循環(huán) n1/ (次 ? h–1)
56
空載時(shí)間t1/(分鐘 ? h–1)
13
高功率運(yùn)行時(shí)間 t2/(分鐘 ? h–1)
14
啟停頻率n2/(次 ? h–1)
1
汽車(chē)燃料電池的降解是復(fù)雜的，然而，它是專(zhuān)門(mén)為之前提到的上面四個(gè)工作狀況。這是已知的燃料電池的性能的降解速率是線性的，及燃料電池的壽命方程可以用下面的公式計(jì)算[ 14?]：
這里P1,P2，P3，P4分別指因負(fù)載變化周期的性能退化率，空載，高功率負(fù)荷狀況和啟動(dòng)-停止循環(huán)，分別在實(shí)驗(yàn)室測(cè)量，n1, n2, t1, t2在表1中獲得，ΔP為電壓最大允許的降解是0.07 V. K為加速系數(shù)，因?yàn)閷?shí)驗(yàn)室和路面之間的不同。由參考文獻(xiàn)[8]得取1.72，但是所計(jì)算的壽命相比道路試驗(yàn)壽命減少10％。所以把它取為1.6
在4個(gè)實(shí)驗(yàn)室測(cè)試中，即負(fù)載變化循環(huán)測(cè)試，啟動(dòng)-停止循環(huán)測(cè)試，空載的測(cè)試和高功率負(fù)荷狀況測(cè)試，燃料電池的壽命可以由方程 （1）計(jì)算。
3快速壽命評(píng)估的兩個(gè)燃料電池堆
3.1兩個(gè)燃料電池堆的實(shí)驗(yàn)
兩種不同的燃料電池堆具有不同流場(chǎng)，但是在相同的活性區(qū)，用壽命快速評(píng)估方法評(píng)估。1號(hào)燃料電池堆和示范汽車(chē)燃料電池是一樣的。首先，在實(shí)驗(yàn)室駕駛循環(huán)中測(cè)試這兩個(gè)燃料電池堆。然后，這兩個(gè)燃料電池堆壽命都被計(jì)算，如圖3所示，圖3（a）介紹了在實(shí)驗(yàn)室駕駛循環(huán)中1號(hào)燃料電池堆的壽命退化，圖3（b）顯示2號(hào)燃料電池堆的測(cè)試結(jié)果。
圖3 兩個(gè)燃料電池組實(shí)驗(yàn)室駕駛循環(huán)測(cè)試
實(shí)驗(yàn)室駕駛循環(huán)測(cè)試的退化可以通過(guò)圖3計(jì)算：
所以，這兩個(gè)燃料電池堆的壽命在前面的駕駛循環(huán)運(yùn)行中可以直接得到，考慮汽車(chē)燃料電池壽命結(jié)束時(shí)的定義：LFC1= 1080小時(shí)，LFC2=750小時(shí)。
隨負(fù)載變化周期燃料電池電壓的退化在圖4中給出。燃料電池組電流的變化從23A到98A然后再到23A重復(fù)而負(fù)載改變循環(huán)試驗(yàn)。電壓的衰減速率可以從圖4中測(cè)量如下：
圖4 隨負(fù)載變化周期電壓的退化
圖5（a)表明,1號(hào)燃料電池堆的50個(gè)小時(shí)的測(cè)試結(jié)果，其空載電流密度10 mA/cm2及燃料電池堆的性能幾乎得到完全恢復(fù)，僅有一點(diǎn)點(diǎn)的衰變率無(wú)法挽回。它是有意義的，盡管我們25小時(shí)后，用不規(guī)則的方式測(cè)試了10個(gè)小時(shí)，測(cè)試結(jié)果顯示與前面的試驗(yàn)有相同的變化速率。為了提高衰減率精度，保持定期和嚴(yán)格的測(cè)試過(guò)程是重要的。圖5（b）提出了2號(hào)燃料電池堆試驗(yàn)結(jié)果，其空載電流密度10 mA/cm2和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)是能被接受的。從這些數(shù)據(jù)中，我們得到的電壓衰減速率如下：
圖5 空載循環(huán)的電壓退化
高功率循環(huán)也影響燃料電池的壽命，在6（a）和6（b）圖所示。
圖6 隨高功率循環(huán)電壓衰變
兩個(gè)燃料電池堆工作在100A的測(cè)試電流中，然后測(cè)量極化曲線。衰退率如下：
圖7給出了1號(hào)的燃料電池堆啟動(dòng)—停止操作引起的退化。經(jīng)過(guò)幾次的啟動(dòng)—停止操作后，在電流100A，相同負(fù)荷變化試驗(yàn)中，測(cè)出燃料電池堆電壓值。衰退的值可以從圖7中得到：
圖7 在一號(hào)電池組中隨啟動(dòng)-停止循環(huán)電壓衰變
2號(hào)燃料電池堆的性能呈非線性衰減是值得注意的，因?yàn)樵谖粗脑蛳拢跍y(cè)試平臺(tái)上水泵停了好幾次。
我們發(fā)現(xiàn)1號(hào)燃料電池堆的現(xiàn)象也可以用公式（12）得到衰減值，由2號(hào)燃料電池堆的啟動(dòng)—停止循環(huán)得到的：
這意味著我們可以?xún)H僅通過(guò)駕駛循環(huán)的四個(gè)測(cè)試實(shí)驗(yàn)獲得燃料電池的壽命，負(fù)載的變化循環(huán)，空載循環(huán)和高功率循環(huán)，且總的測(cè)試時(shí)間不大于250個(gè)小時(shí)。
3.2壽命計(jì)算與分析
1號(hào)燃料電池堆燃料電池的電壓的衰減率通過(guò)負(fù)荷變化循環(huán)，空載狀況，高功率負(fù)載條件和啟動(dòng)—停止循環(huán)分別表現(xiàn)為公式(4), (6), (8) 和 (10)。公式(5), (7), (9) 和 (13)。表現(xiàn)2號(hào)燃料電池堆電壓的衰減率。
圖8顯示在兩個(gè)燃料電池組中電壓衰減率的不同。在1號(hào)燃料電池堆中，負(fù)荷變化循環(huán)和啟動(dòng)—停止循環(huán)是影響燃料電池性能衰減的主要因素。三分之一的衰減是由啟動(dòng)—停止循環(huán)和超過(guò)50％是由負(fù)荷變化循環(huán)。通過(guò)修改啟動(dòng)—停止循環(huán)和負(fù)荷變化循環(huán)或減少它們的次數(shù)，無(wú)疑燃料電池的壽命將要被延長(zhǎng)。表2顯示1號(hào)燃料電池堆工作條件的優(yōu)化和預(yù)測(cè)燃料電池客車(chē)的壽命。
圖8 兩個(gè)電池組之間不同操作條件的對(duì)比
表2 工作條件的優(yōu)化
參數(shù)
原始模式
改善模式
燃料電池公共汽車(chē)的預(yù)測(cè)壽命
一號(hào)
三號(hào)
負(fù)荷變化循環(huán) n1/ (次 ? h–1)
56
28
28
41
空載時(shí)間t1/(分鐘 ? h–1)
14
14
21
25
高功率運(yùn)行時(shí)間 t2/(分鐘 ? h–1)
13
13
9
10
啟停頻率n2/(次 ? h–1)
0.99
0.99
1.18
0.88
預(yù)測(cè)壽命Lf/h
1080
2640
2636
1917
性能衰減率Ud/(mV ? h–1)
0.0673
0.0265
0.0265
0.0365
圖9表示1號(hào)燃料電池公共汽車(chē)的衰減率吻合預(yù)測(cè)的電壓衰減率，進(jìn)一步證明了公式（1）的有效性。
圖9 1號(hào)燃料電池公共汽車(chē)預(yù)測(cè)壽命
4 汽車(chē)燃料電池的最佳運(yùn)行負(fù)荷確定
高功率循環(huán)在70A和100A時(shí)測(cè)量電壓衰減率如圖10所示。與圖6（b）相比較，高功率循環(huán)的電壓衰減率在70 A是224μV/ h大于在100 A時(shí)的110μV/h。這可能是由于燃料電池流場(chǎng)的設(shè)計(jì)，設(shè)定電流100A接近額定負(fù)荷，那么水和熱管理在所有操作條件下處于更好的。
圖10 在70A隨高功率循環(huán)測(cè)試電壓衰變
圖11（a），圖5（b），和圖11（b）顯示空載循環(huán)在不同的電流密度30 mA/cm2，10 mA/cm2，和5 mA/cm2下的測(cè)試結(jié)果。結(jié)果表明，更低的空載電流，更小的電壓衰減率。令人意想不到的是在空載循環(huán)1.4A（5mA/cm2時(shí)）試驗(yàn)中電壓逐漸增大。所以我們可以用這個(gè)特性來(lái)延長(zhǎng)燃料電池的壽命。
圖11 隨空載循環(huán)電壓衰變
圖12表示接近設(shè)定的電流，使汽車(chē)燃料電池的壽命更長(zhǎng)。這意味著，當(dāng)燃料電池工作在空載狀態(tài)下，更低得負(fù)荷電流對(duì)于燃料電池壽命更好。當(dāng)它工作在高功率狀況下，在額定負(fù)載下負(fù)載電流在額定設(shè)定的電流值附近，來(lái)保證燃料電池有更長(zhǎng)的使用壽命。
圖12 確定最佳運(yùn)行負(fù)荷
5 結(jié)論
（1）壽命公式包括由啟動(dòng)—停止循環(huán)，空載循環(huán)，負(fù)載變化循環(huán)和高功率負(fù)荷循環(huán)導(dǎo)致的性能衰減率，顯示與燃料電池客車(chē)實(shí)際城市道路試驗(yàn)相比較是可行的。
（2）汽車(chē)燃料電池的壽命，可以根據(jù)在實(shí)驗(yàn)室里不超過(guò)250個(gè)小時(shí)的測(cè)試得到的公式（1）獲得。
（3）通過(guò)優(yōu)化操作條件，汽車(chē)燃料電池的壽命可以從1100個(gè)小時(shí)延長(zhǎng)到2600個(gè)小時(shí)。
（4）微電流操作能延長(zhǎng)燃料電池的壽命。
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附件：外文資料原文
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