除了對(duì)燃料電池堆提出緊湊性、低質(zhì)量和高效高功率輸出的要求外，燃料電池堆由于頻繁經(jīng)受車用復(fù)雜工況，還必須提高其耐久性和可靠性。為了提高燃料電池耐久性，有必要保證(maintain)催化劑有效活性面積(功率輸出)和質(zhì)子交換膜厚度(隔開氧氣和氫氣并電隔離陽(yáng)極和陰極)。保證催化劑有效活性面積和質(zhì)子交換膜厚度對(duì)電池CCM平面方向的水含量分布有著重要影響。通常，當(dāng)水含量較高，催化劑顆粒由于降解、團(tuán)聚、再沉積會(huì)發(fā)生凝結(jié)，催化劑有效活性面積減少。同樣，據(jù)相關(guān)報(bào)道，當(dāng)水含量較低，雜質(zhì)(impurities)和過(guò)氧化氫(hydrogenperoxide)在質(zhì)子交換膜內(nèi)聚集，加速質(zhì)子交換膜化學(xué)衰減和厚度減少。

本田Onecoolinglayerpertwocells結(jié)構(gòu)

1.水含量測(cè)量必要性

本田2016款燃料電池汽車Clarity嘗試通過(guò)開發(fā)多分區(qū)阻抗傳感器(multi-segmentimpedancesensors)測(cè)量CCM平面水含量分布方法和模擬(simulations)計(jì)算水含量分布的最優(yōu)值方法來(lái)提高電堆耐久性。本文將討論采用本田工程師開發(fā)的阻抗分布測(cè)量系統(tǒng)IDMS(impedancedistributionmeasurementsystem)來(lái)實(shí)時(shí)在線測(cè)量車用燃料電池系統(tǒng)中電池CCM平面水含量分布，并且考察其是否在合理區(qū)間內(nèi)，相關(guān)結(jié)果已經(jīng)在實(shí)際車用燃料電池發(fā)電系統(tǒng)控制策略中反映出來(lái)。

由于工況因素即時(shí)變化，如反應(yīng)氣流量、壓力、電池溫度和電流密度，燃料電池CCM平面方向水含量變化較大。為了提高燃料電池耐久性，有必要保證CCM平面方向水含量在合理范圍內(nèi)(最大值和最小值之間)。本田公司的CCM平面方向水含量的最大值和最小值通過(guò)微型燃料電池的CCM耐久性實(shí)驗(yàn)獲取，如下圖所示。

過(guò)針刺 低溫防爆18650 2200mah

符合Exic IIB T4 Gc防爆標(biāo)準(zhǔn)

充電溫度：0~45℃
-放電溫度：-40~+55℃
-40℃最大放電倍率：1C
-40℃ 0.5放電容量保持率≥70%

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確保膜厚和Pt有效活性面積水含量極限值

電堆和水含量關(guān)系

在本田公司實(shí)際車用燃料電池系統(tǒng)中，基于平面方向水含量和電堆阻抗之間的關(guān)系，CCM平面方向的水含量分布是通過(guò)測(cè)量電堆阻抗來(lái)將其控制在合理區(qū)間。盡管在本田2016款燃料電池汽車Clarity上，眾多因素會(huì)影響CCM平面水含量分布，但通過(guò)控制陰極側(cè)空氣相對(duì)濕度可以實(shí)現(xiàn)水含量精確控制。本田公司通過(guò)和加濕器并聯(lián)的旁通閥調(diào)節(jié)進(jìn)加濕器空氣流量來(lái)控制CCM平面水含量分布，如下圖所示。(調(diào)節(jié)旁通閥的開度是精髓)

進(jìn)堆空氣濕度控制

電堆阻抗的控制范圍即目標(biāo)阻抗(Targetimpedance)受CCM平面水含量分布不一致性(uneven)和測(cè)量誤差影響。通過(guò)恒定電流模擬優(yōu)化CCM平面水含量分布不一致性問(wèn)題有助于擴(kuò)大電堆阻抗控制區(qū)間。盡管本田公司考慮了通過(guò)控制電堆阻抗值來(lái)優(yōu)化CCM平面水含量不一致性問(wèn)題，但也只是模擬恒電流工況。因此，有必要考慮車用燃料電池系統(tǒng)中電流加載工況下CCM平面水含量分布是否在合理區(qū)間變化的問(wèn)題。

無(wú)人船智能鋰電池

IP67防水，充放電分口 安全可靠

標(biāo)稱電壓：28.8V
標(biāo)稱容量：34.3Ah
電池尺寸：(92.75±0.5)* (211±0.3)* (281±0.3)mm
應(yīng)用領(lǐng)域：勘探測(cè)繪、無(wú)人設(shè)備

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2.傳統(tǒng)測(cè)量方法的問(wèn)題

傳統(tǒng)上，干重法或核磁共振法(nuclearmagneticresonance)經(jīng)常被用來(lái)策略CCM平面水含量分布。干重法對(duì)比有水狀態(tài)下和無(wú)水狀態(tài)下電池，將前后兩次的質(zhì)量差作為含水量，如下圖所示。在干重法測(cè)含水量時(shí)，電池需要運(yùn)行一段時(shí)間；拆解電池，將CCM切成數(shù)塊，裝進(jìn)袋中(裝袋不讓水分蒸發(fā))，測(cè)量質(zhì)量；然后將其干燥，重新測(cè)量重量?？紤]到在拆解電池和CCM切塊過(guò)程中可能存在水分蒸發(fā)，有必要在高濕度環(huán)境中進(jìn)行上述操作。此外，由于CCM的平面含水量分布應(yīng)當(dāng)在固定條件下測(cè)量，因此需要針對(duì)每一種工況進(jìn)行數(shù)次實(shí)驗(yàn)，并且也不可能測(cè)量瞬態(tài)工況下的含水量分布。

干重法測(cè)量CCM水含量分布步驟

在核磁共振法中，一個(gè)試驗(yàn)樣本被放置在磁場(chǎng)中，并用高頻磁場(chǎng)轟擊，以激發(fā)核旋共振(nuclearspinresonance)效應(yīng)。試驗(yàn)樣本產(chǎn)生的核磁共振信號(hào)被接受并且測(cè)量原子狀態(tài)，從而可以實(shí)時(shí)在線測(cè)量CCM中水含量分布。由于該方法需要將電堆和真實(shí)的燃料電池系統(tǒng)置于磁場(chǎng)中，導(dǎo)致測(cè)量設(shè)備體積較大且系統(tǒng)運(yùn)行故障率增加。

3.解決方法

有阻抗分布測(cè)量系統(tǒng)的燃料電池系統(tǒng)(benchuse)

4.臺(tái)架測(cè)試結(jié)果

4.1恒電流工況

首先，我們來(lái)看下恒電流工況下CCM平面水含量分布變化情況。下圖為不同電流工況下CCM平面水含量分布情況。在低電流工況下(下圖a)，由于陰極側(cè)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水向陰極出口(CaOUT)移動(dòng)，越靠近出口，CCM平面水含量增加。因此，陰極側(cè)入口處(CaIN)CCM平面水含量可能會(huì)降低到極限最小值以下。

恒電流工況下水含量分布

陰極出口(CaOUT)處CCM中平面水含量的降低是由于水分通過(guò)CCM流向另一側(cè)的陽(yáng)極，如下圖所示。相反，在高電流工況下，CCM平面水含量的最大值從陰極出口處(CaOUT)向陰極入口(CaIN)處移動(dòng)。上述現(xiàn)象的原因是隨著電流增加，電化學(xué)反應(yīng)區(qū)域向氧氣濃度較高的陰極入口(CaIN)處移動(dòng)(withtheincreaseincurrent,theareaofgenerationshiftstothecathodeinletside,whichhasahighconcentrationofoxygen)。注意，電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生大量的水，電池中間位置處CCM平面水含量值會(huì)增加超過(guò)極限最大值。

為不同電流工況下CCM平面水含量測(cè)試結(jié)果，結(jié)果表明電堆阻抗值在極限最大值和極限最小值之間，工作正常。此外，低電流工況下陰極入口處的水含量最小值也處于極限最小值上方，高電流工況下電池中間處的水含量最大值也處于極限最大值下方。

不同電流工況下水含量情況

4.2加速和減速工況

表示電堆在不同狀態(tài)下車速、電流和電堆阻抗的變化情況。使用上述描述的水含量分布測(cè)量系統(tǒng)可以在各種運(yùn)行模式下實(shí)時(shí)測(cè)量CCM水含量分布情況。可以發(fā)現(xiàn)，在運(yùn)行過(guò)程中CCM平面水含量發(fā)生較大變化，具體為加速工況下水含量升高，減速和怠速工況下水含量降低。因此，本文聚焦在電池各個(gè)區(qū)域CCM平面水含量是否在合理區(qū)間(極限最小值和極限最大值之間)變化。

為加速和減速工況下CCM平面水含量最大值和最小值隨時(shí)間變化情況。下圖(a)為電池長(zhǎng)度方向CCM平面水含量分布測(cè)量結(jié)果，圖中的藍(lán)色和紅色圓圈表示寬度方向CCM平面水含量分布最大值和最小值。(再?gòu)?qiáng)調(diào)，本文針對(duì)電堆實(shí)際水分量分布取名最大值和最小值，針對(duì)系統(tǒng)設(shè)定或者要求滿足的值為極限最大值和極限最小值)。在高恒定電流運(yùn)行模式下，加速工況中CCM平面水含量在氣體流動(dòng)方向上達(dá)位于電池中間區(qū)域到最大值，但是低于極限最大值。

加速和減速模式下水含量分布結(jié)果

對(duì)應(yīng)減速工況下CCM平面水含量分布情況。在加速過(guò)程向減速過(guò)程轉(zhuǎn)變的過(guò)程中，陰極入口處CCM平面水含量值減小，接近極限最小值。在高電流工況，CCM平面水含量值較高，因?yàn)殡娀瘜W(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水量較大。但在減速過(guò)程中，電流減少，電化學(xué)反應(yīng)生成的水量也隨之降低。此外，減速工況下，由于空氣供應(yīng)系統(tǒng)效應(yīng)延遲效應(yīng)空氣量變的富余。注意，上述現(xiàn)象在陰極入口側(cè)減弱。毫無(wú)疑問(wèn)的是，減速工況下CCM平面水含量分布也保持在極限最大值和極限最小值區(qū)間。

4.3怠速工況

怠速工況下平面方向水含量測(cè)試結(jié)果。陰極入口處CCM平面水含量隨時(shí)間逐漸減少，直到降低到極限最小值以下。盡管怠速工況下電堆阻抗控制在合理范圍內(nèi)，由于電化學(xué)反應(yīng)生成的水量較少，進(jìn)堆空氣較為干燥，結(jié)果表現(xiàn)為近陰極入口側(cè)CCM平面水含量值降低，并且降低幅度大于預(yù)期。

怠速工況下水含量隨時(shí)間變化關(guān)系

作為怠速工況下的響應(yīng)，由于電化學(xué)反應(yīng)生成水較少，陰極入口側(cè)CCM水含量較高，除了調(diào)節(jié)進(jìn)堆空氣量，還需增加進(jìn)加濕器的空氣量。

怠速工況下水含量分布結(jié)果

表示怠速工況下采取上述控制策略后陰極入口側(cè)CCM水含量值不再低于極限最小值的情況。CCM平面水含量分布在線實(shí)時(shí)測(cè)量使得電堆在各種運(yùn)行模式下水含量值在合理區(qū)間變成可能。