钜大LARGE | 点击量：1917次 | 2019年05月08日
深度解析Clarity燃料电池堆在线水含量测量
除了对燃料电池堆提出紧凑性、低质量和高效高功率输出的要求外，燃料电池堆由于频繁经受车用复杂工况，还必须提高其耐久性和可靠性。为了提高燃料电池耐久性，有必要保证(maintain)催化剂有效活性面积(功率输出)和质子交换膜厚度(隔开氧气和氢气并电隔离阳极和阴极)。保证催化剂有效活性面积和质子交换膜厚度对电池CCM平面方向的水含量分布有着重要影响。通常，当水含量较高，催化剂颗粒由于降解、团聚、再沉积会发生凝结，催化剂有效活性面积减少。同样，据相关报道，当水含量较低，杂质(impurities)和过氧化氢(hydrogenperoxide)在质子交换膜内聚集，加速质子交换膜化学衰减和厚度减少。
本田Onecoolinglayerpertwocells结构
1.水含量测量必要性
本田2016款燃料电池汽车Clarity尝试通过开发多分区阻抗传感器(multi-segmentimpedancesensors)测量CCM平面水含量分布方法和模拟(simulations)计算水含量分布的最优值方法来提高电堆耐久性。本文将讨论采用本田工程师开发的阻抗分布测量系统IDMS(impedancedistributionmeasurementsystem)来实时在线测量车用燃料电池系统中电池CCM平面水含量分布，并且考察其是否在合理区间内，相关结果已经在实际车用燃料电池发电系统控制策略中反映出来。
由于工况因素即时变化，如反应气流量、压力、电池温度和电流密度，燃料电池CCM平面方向水含量变化较大。为了提高燃料电池耐久性，有必要保证CCM平面方向水含量在合理范围内(最大值和最小值之间)。本田公司的CCM平面方向水含量的最大值和最小值通过微型燃料电池的CCM耐久性实验获取，如下图所示。
符合Exic IIB T4 Gc防爆标准
充电温度：0~45℃
-放电温度：-40~+55℃
-40℃最大放电倍率：1C
-40℃ 0.5放电容量保持率≥70%
确保膜厚和Pt有效活性面积水含量极限值
电堆和水含量关系
在本田公司实际车用燃料电池系统中，基于平面方向水含量和电堆阻抗之间的关系，CCM平面方向的水含量分布是通过测量电堆阻抗来将其控制在合理区间。尽管在本田2016款燃料电池汽车Clarity上，众多因素会影响CCM平面水含量分布，但通过控制阴极侧空气相对湿度可以实现水含量精确控制。本田公司通过和加湿器并联的旁通阀调节进加湿器空气流量来控制CCM平面水含量分布，如下图所示。(调节旁通阀的开度是精髓)
进堆空气湿度控制
电堆阻抗的控制范围即目标阻抗(Targetimpedance)受CCM平面水含量分布不一致性(uneven)和测量误差影响。通过恒定电流模拟优化CCM平面水含量分布不一致性问题有助于扩大电堆阻抗控制区间。尽管本田公司考虑了通过控制电堆阻抗值来优化CCM平面水含量不一致性问题，但也只是模拟恒电流工况。因此，有必要考虑车用燃料电池系统中电流加载工况下CCM平面水含量分布是否在合理区间变化的问题。
2.传统测量方法的问题
传统上，干重法或核磁共振法(nuclearmagneticresonance)经常被用来策略CCM平面水含量分布。干重法对比有水状态下和无水状态下电池，将前后两次的质量差作为含水量，如下图所示。在干重法测含水量时，电池需要运行一段时间；拆解电池，将CCM切成数块，装进袋中(装袋不让水分蒸发)，测量质量；然后将其干燥，重新测量重量。考虑到在拆解电池和CCM切块过程中可能存在水分蒸发，有必要在高湿度环境中进行上述操作。此外，由于CCM的平面含水量分布应当在固定条件下测量，因此需要针对每一种工况进行数次实验，并且也不可能测量瞬态工况下的含水量分布。
干重法测量CCM水含量分布步骤
在核磁共振法中，一个试验样本被放置在磁场中，并用高频磁场轰击，以激发核旋共振(nuclearspinresonance)效应。试验样本产生的核磁共振信号被接受并且测量原子状态，从而可以实时在线测量CCM中水含量分布。由于该方法需要将电堆和真实的燃料电池系统置于磁场中，导致测量设备体积较大且系统运行故障率增加。
3.解决方法
有阻抗分布测量系统的燃料电池系统(benchuse)
4.台架测试结果
4.1恒电流工况
首先，我们来看下恒电流工况下CCM平面水含量分布变化情况。下图为不同电流工况下CCM平面水含量分布情况。在低电流工况下(下图a)，由于阴极侧电化学反应产生的水向阴极出口(CaOUT)移动，越靠近出口，CCM平面水含量增加。因此，阴极侧入口处(CaIN)CCM平面水含量可能会降低到极限最小值以下。
恒电流工况下水含量分布
阴极出口(CaOUT)处CCM中平面水含量的降低是由于水分通过CCM流向另一侧的阳极，如下图所示。相反，在高电流工况下，CCM平面水含量的最大值从阴极出口处(CaOUT)向阴极入口(CaIN)处移动。上述现象的原因是随着电流增加，电化学反应区域向氧气浓度较高的阴极入口(CaIN)处移动(withtheincreaseincurrent,theareaofgenerationshiftstothecathodeinletside,whichhasahighconcentrationofoxygen)。注意，电化学反应产生大量的水，电池中间位置处CCM平面水含量值会增加超过极限最大值。
为不同电流工况下CCM平面水含量测试结果，结果表明电堆阻抗值在极限最大值和极限最小值之间，工作正常。此外，低电流工况下阴极入口处的水含量最小值也处于极限最小值上方，高电流工况下电池中间处的水含量最大值也处于极限最大值下方。
不同电流工况下水含量情况
4.2加速和减速工况
表示电堆在不同状态下车速、电流和电堆阻抗的变化情况。使用上述描述的水含量分布测量系统可以在各种运行模式下实时测量CCM水含量分布情况。可以发现，在运行过程中CCM平面水含量发生较大变化，具体为加速工况下水含量升高，减速和怠速工况下水含量降低。因此，本文聚焦在电池各个区域CCM平面水含量是否在合理区间(极限最小值和极限最大值之间)变化。
为加速和减速工况下CCM平面水含量最大值和最小值随时间变化情况。下图(a)为电池长度方向CCM平面水含量分布测量结果，图中的蓝色和红色圆圈表示宽度方向CCM平面水含量分布最大值和最小值。(再强调，本文针对电堆实际水分量分布取名最大值和最小值，针对系统设定或者要求满足的值为极限最大值和极限最小值)。在高恒定电流运行模式下，加速工况中CCM平面水含量在气体流动方向上达位于电池中间区域到最大值，但是低于极限最大值。
加速和减速模式下水含量分布结果
对应减速工况下CCM平面水含量分布情况。在加速过程向减速过程转变的过程中，阴极入口处CCM平面水含量值减小，接近极限最小值。在高电流工况，CCM平面水含量值较高，因为电化学反应产生的水量较大。但在减速过程中，电流减少，电化学反应生成的水量也随之降低。此外，减速工况下，由于空气供应系统效应延迟效应空气量变的富余。注意，上述现象在阴极入口侧减弱。毫无疑问的是，减速工况下CCM平面水含量分布也保持在极限最大值和极限最小值区间。
4.3怠速工况
怠速工况下平面方向水含量测试结果。阴极入口处CCM平面水含量随时间逐渐减少，直到降低到极限最小值以下。尽管怠速工况下电堆阻抗控制在合理范围内，由于电化学反应生成的水量较少，进堆空气较为干燥，结果表现为近阴极入口侧CCM平面水含量值降低，并且降低幅度大于预期。
怠速工况下水含量随时间变化关系
作为怠速工况下的响应，由于电化学反应生成水较少，阴极入口侧CCM水含量较高，除了调节进堆空气量，还需增加进加湿器的空气量。
怠速工况下水含量分布结果
表示怠速工况下采取上述控制策略后阴极入口侧CCM水含量值不再低于极限最小值的情况。CCM平面水含量分布在线实时测量使得电堆在各种运行模式下水含量值在合理区间变成可能。
上一篇：分析锂阴影下的5种替代电池技术
