测试工具2021.10
吴炎花，林业发
(上海电气集团股份有限公司中央研究院，上海，201600)
摘要：为了解决燃料电池系统在-3(rc低温冷启动过程中，燃料电堆快速拉载到高功率与电堆拉载过程产生的水结成冰覆盖造成局部水淹甚至反极击穿的强耦合性，提出了一种自适应控制空气量、氢气循环量以及热管理的防水淹冷启动控制策略。在冷启动过程中，该策略以电堆平均单节电压为调节目标，通过闭环调节空气供应量、氢气循环量、电堆电流、热管理系统流量及加热量，控制策略再根据电堆最低单体电压为自适应控制影响因子，改进空气供应量、氢气循环量以及电堆电流。考虑电堆实际-309低温运行环境，搭建燃料电池低温系统测试平台，将传统低温冷启动控制策略与自适应防水淹控制策略的进行实验对比。结果表面，防水淹冷启动控制策略及时处理燃料电池局部水淹造成的单低现象，还快速恢复燃料电池性能，缩短冷启动时间。 Research on water flooding prevention strategy of fuel cell system
at-30°C cold start
Wu Yanhua,Lin Yefa
(Centr&l Research Institute of Shanghai Electrie Group Co.,Ltd.,Shanghai,201600) Abstract：In order to solve the strong coupling of the fuel cell system during the cold start of the fuel cell system at a low temperature of一30°C,the fuel cell stack is quickly loaded to high power and the water generated during the stack loading process is frozen and covered,causing local flooding and even reverse pole breakdown.A water-proof cold start control strategy with adaptive control of air volume,hydrogen circulation volume and thermal management is proposed.During the cold start process,the strategy takes the average cell voltage of the stack as the adjustment target,and adjusts the air supply, hydrogen circulation,stack current,thermal management system flow and heating capacity through a closed loop,and the control strategy is based on the minimum stack voltage.Body voltage is an adaptive control influence factor to improve air supply,hydrogen circulation,and stack current.Considering the actual
-30°C low-temperature operating environment of the stack,a fuel cell low-temperature system test platfarm
is built,and the traditional low-temperature cold-start control strategy is compared with the adaptive waterproof flood control strategy.As a result,the waterproof cold-start control strategy can timely deal with the single-low phenomenon caused by partial flooding of the fuel cell,and also quickly res t ore the fuel cell performance and shorten the cold start time.
Keywords：FuelCell System;Cold Start Technology;Control Strategy Optimization
0引言
管式热交换器原理图
燃料电池车用系统是一种氢气氧气通过电化学反应发电，并产生水的系统。车用系统需要满足-30°c环境下启动并运行。由于燃料电池的产物是水，使得燃料电池冷启动成为难题。现有技术方案是通过对冷却水路进行辅助加热，从而使得电堆内部快速升温；还有的技术方案是对燃料电池电堆加装加热装置，对电堆进行快速加热；另外也有通过控制电流、反应物等方式，提高电流，降低燃料电池电压，降低燃料电池效率，快速加热方法。这些技术方案都没有考虑燃料电池低温冷启动过程中，局部冰融化造成的水淹，从而造成的局部反极问题，从而降低了燃料电池的可靠性。
1燃料电池电堆低温启动过程机理分析
燃料电池单节电池由双极板和膜电极组成，双极板由阳|88，极气体流道、阴极气体流道、以及冷却液流道组成；膜电极又
由质子交换膜、催化剂、气体扩散成组成。增湿的氢气进入阳
极和增湿的空气进入阴极通过催化剂进行电化学反应产生
电和热；
他+2H++2e T H2O+热量
正常温度工作时，生成的水处于液态或气态，阴极催化
层会将反应生成水并通过扩散层带到双极板流场中随过量
的空气带出去，同时，阴极生成的水会渗透到阳极，阳极也需
要一定过量系数的氢气把氢气中的液态水带出去。
在反应过程中，阳极侧的氢气质子以水和质子h3o+进行传输，充分湿润的质子交换膜有利于输出特性的提升，然而
过多的水会导致水淹，阻碍气体的传输；催化剂的反应面积
就变小。这时燃料电池的活化阻抗、浓差阻抗就提高，燃料电
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池单节输出性能降低，严重时燃料电池局部出现氢气欠气，在
阳极催化剂表面形成较高的阳极电势差，形成阳极反极，此过
程具有强电化学腐蚀，破坏燃料电池膜电极甚至双极板⑷。
如下图1所示为燃料电池工作原理示意图。
图1燃料电池工作原理
根据以上分析，在-30 °C 低温环境中，燃料电池电堆运行
在低温状态启动，需要考虑以下问题：
家庭智能控制系统(1) 膜电极的催化层表面上一次反应生成的水会冻成冰
或者霜，会阻止启动过程的反应气体达到反应界面，局部欠
气，并且造成反极；(2) 冷启动过程中，电流加载过快，温度较低，气体扩散
层的水饱和湿度低，反应生成的水接近饱和后堵塞流道造成 水淹现象，从而阻止气体传输，反应欠气，反应生成的水又迅
速结冰，冷启动失败；
(3) 冷启动过程中，电流加载过慢，温度较低，产生的热
量小于环境散热量，反应生成的水迅速结冰，从而阻止气体 传输，反应欠气，冷启动失败；
(4) 冰的体积比水的体积大，结冰会造成膜电极表面、流
道等膨胀、破裂甚至穿孔；
根据以上问题分析，总结冷启动过程，电堆内部膜电极
表面可以分为三个过程：
(1) 在燃料电池冷启动过程的初始过程中，会在阴极表
面生成水，然后阴极侧的含水量慢慢
变高；
(2) 阴极侧的水饱和，继续生成
的水就会结冰，这时，通过外面冷却
水加热和燃料电池的电化学反应会 发热提高燃料电池电堆温度，保证燃
料电池阴极侧在没有被冰覆盖之前 就升温到LC 以上；
(3) 在温度提高到0°C 以上，阴
极全部融化，电池温度会继续上升，
燃料电池功率升高给冷却液加热，一
直到燃料电池电堆和冷却液升温到
贴片式称重料位计
工作温度。
2燃料电池低温冷启动过程控
制策略
燃料电池冷启动控制处于-30 °C
非法请求低温环境下，在上一次关机过程要充分的吹扫，将电堆内部
的液态水吹出，保证启动过程催化剂表面没有被冰覆盖；
燃料电池系统除了燃料电池电堆外，还包含空气供应系 统、氢气供应系统、热管理系统、电气系统；
(1) 空气供应系统由空压机、背压阀和流量传感器、压力
传感器组成，控制空压机转速闭环控制空气流量；
(2) 氢气供应系统包含氢气比例阀、氢气压力传感器控
制氢气压力，氢气系统还包含尾排阀、水汽分离器、循环泵,
循环比将堆出的剩余氢气再循环进入堆入，从而控制氢气回
流过量系数，水分把堆出的湿氢气的液态水分离出，氢气尾
排间歇打开排出水分中液态水；
(3) 热管理系统包含水泵控制冷却剂流量，加热器、散热
器、电动三通阀以及温度传感器控制冷却剂温度；
(4) 电气系统由DC 、巡检、电流电压传感器等组成，DC
控制电堆的电流输出，巡检检测每一节单体的电压；当出现
单体电压过低时，及时切断接触器保护电堆。
冷启动控制策略分为以下三个步骤：
(1) 辅助加热开启：在-309低温环境下启动，热管理系
统打开水泵以低速运行、电动三通阀到小循环，控制加热器
到最高功率加热冷却剂；冷却剂通过电堆的冷却剂流道加热
电堆本体；
(2) 阴极吹扫：电堆出口有电堆温度传感器，检测到冷
却器温度大于T5°C 后，再控制空气供应系统，打开空压机、
被压阀，大气量供气持续10s 吹扫电堆阴极侧，将液态水通过 空气带走；
(3) 阳极吹扫：供应阳极氢气压力，并控制阳极循环泵
高转速运行持续运行，电堆阳极催化层表面通过一定过量系 数的氢气带走液态水；
(4) 燃料电池加载：电堆建立开路电压后开始加载, 按2A/S 的斜率慢慢加载燃料电池电流到电堆的平均电压
到0. 6v；电堆拉载后会产生热功率P 热功率=((1.48-0. 6)
/0. 6)*P 电功率；当0. 6v 的电功率是40kw，热功率5& 6kw；这
图2 燃料电池系统原理示意图
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里
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个过程快速给小循环冷却剂和电堆加
热。此过程为了快速加热燃料电池系统
达到工作温度，从而满足车用系统的时
间响应特性。
植草板
(5)热管理系统打开大循环：当电图3单体巡检电压
堆温度到5(rc，闭环控制打开电动三通阀使得堆出水温一直空气的目标流量是跟随自适应影响因子增加空气量
保持50°C，让大循环的冷却剂缓慢与内循环混流加热，一直到三通阀全开。
(6)持续加热电堆到电堆运行工作温度70°C后，控制散热器风扇打开，闭环控制堆出温度保持在80°Co ^air_add=a*Xq:
辺)x28.97x10』
wt=________-__L___________________
air0.21x4xF
氢气的目标流量是跟随自适应影响因子增加空气量
3燃料电池冷启动自适应防水淹控制策略久H2_add=b*Xq:
燃料电池电气系统包含单节巡检模块，用于检测燃料电池的单体电压，当冷启动过程出现局部水淹造成局部电体欠气时，单体的电压就会降低；在如上冷启动过程的步骤4过程中，控制电堆平均电压达到0.6V，燃料电池系统快速加热，燃料电池性能慢慢提升后，DCDC电流可以运行到较大电流，但是燃料电池节数较多，内部的加热过程可能不平均，造成局部性能恢复较差，出现局部水淹，甚至局部反极；如果DCDC 电流很小时，燃料电池电堆的冷启动时间就较长，达不到车用要求。
自适应防水淹控制策略是基于平均电体电压V_Cell aveg 为控制目标，再把巡检最低单体电压V_Cell nln作为影响因子，自适应控制空气供应量、氢气供应量以及电堆电流。
(1)当最低单体大于0.5V时，PID闭环控制DCDC电流到平均电压0.6v；
定位板
其中Xk=V_Cell aveg-0.6是当前目标值和实际值的偏差
I_set=KP*X k+Ki*丫兀+Kd*(兀-X—)；
J=o
空气的目标流量是跟随电流控制的：
2.x2&97x10%
m.=---------------------
a,r0.21x4xF
氢气流量：
_入H2xZxN
m H2=xF
其中人”是空气的过量系数，鶴2是氢气的过量系数，I 是电堆电流，N电堆节数，F法拉第常数96485.3
(2)平均电压控制在0.6V时，巡检最低单体电压等于0.5V时，控制DCDC电流保持不变；
当出现局部欠气时，巡检最低单体电压降低，当检测到小于0.5V时，控制DCDC快速下降自适应修正因子根据最低单体电压；同时提高空气系统的流量、氢气系统循环泵的转速，快速吹扫局部水淹区域。等性能恢复后，再继续加载到平均电压是0.6V对于的功率点。
设Xq=0.5-V_Cell mln
n
I_set=KP*X k+Ki*为兀+Kd*-(KP q*X q
J=o
+Ki q*)；
i=0
(鶴2+久H2辺)X?X N
吟2=-----------存--------
4燃料电池系统冷启动测试
燃料电池冷启动实验需要将燃料电池系统放在环境仓内-30°C冷冻12小时，环境仓还配置新风系统，当燃料电池冷启动过程模拟低温环境持续给燃料电池系统供应-30°C的冷空气及冷氢气；实验的燃料电池系统电堆是320节，电堆额定功率为80kw；电堆运行温度是70°C o
如图3所示是冷启动过程的单体电压图。
如下图4所示，燃料电池冷启动成功是40s，燃料电池冷启动到加热完全需要500so
图4-309冷启动测试数据
如测试过程，冷启动分为以下几个阶段：
0-20s，外部加热器加热冷却水到-15°C，燃料电池系统没有运行；
20-508，阴极、阳极吹扫，电压建立，燃料电池不拉载；
50s-370s，缓慢加载过程，整个缓慢加载过程，控制平均电压0.6V;
在375S，电堆电压出现单体现象，启用防水淹控制策略，燃料电池性能快速恢复；
370s-500s，急速加载过程，直到温度加热到工作温度。5结论
本文从燃料电池电堆冷启动过程机理分析电堆、膜电极的物理特性，并研究了针对-30°C的低温冷启动的控制策略；还研究了燃料电池冷启动过程水淹防反极处理的控制策略。最后通过实验验证了控制策略的可行性以及可靠性。通过实验证明得到以下结论：(1)燃料电池-30摄氏度的冷启动可以通过辅助加热加自启动加载并行方式实现，满足车用系统
(下转第120页)
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拆分功能，在多个计算机中应用同一个服务器，进一步丰富内容，提高管理效率与应用效率。通过对拆分技术的合理应用，可以充分挖掘计算机功能，解决传统应用中存在的漏洞，提高科学技术的应用水平，满足现代生产需求与发展需求。
在IT领域中，硬件虚拟化技术获得广泛应用，目前，已经成为当下较为流行的技术，其主要利用各种软件与系统，虚拟化处理计算机中的零配件，之后可以根据实际需求，对虚拟设备进行安装与使用，充分发挥系统功能。目前，VMware. Virtual PC是市场中常用的虚拟产品，具有操作简便的特点，在计算机设备中，只需要简单的虚拟化软件，就可以实现同步运转。实验人员应用虚拟化技术可以高效运行计算机系统，提高资源利用率，降低对资源的损耗。
2.2进行虚拟实验
所谓的虚拟实验，主要是对分支系统进行复制，比硬件虚拟化更加具有便捷性与灵敏性，实验人员可以在计算机内安装虚拟化软件，在短时间内就可以快速复制出相同的系统，而且复制的系统与初始系统相比，并没有明显的差异，如此一来，可以提高构件实验技术平台的工作效率。实验人员需要合理规划计算机实验室，统一进行规划，可以釆用树状图的方式，对计算机桌面与操作系统进行处理，在管理服务器中，采用虚拟化镜像的方法呈现出桌面环境。同时，在PC 机中不用再安装多余的软件，在连接服务器时，可以将局域网作为媒介，根据客户端要求，优化服务器功能，确保在同一客户端中运行应用软件与操作系统。在开展计算机网络实验中，可以利用虚拟化技术，克隆计算机系统，确保相互之间形成小型的网络体系，有利于进行信息的传送，增强信息的互动性，以及提高资源利用率，有效解决资源不足等问题[2\实验人员在构建实验技术平台时，可以建设虚拟机，使用硬盘与内存打造具有独立性的系统，防止受到外界因素的影响，确保虚拟机具有良好的运行效率。在构建虚拟机时，可以釆用虚拟化技术，使存储系统与硬盘具有独立性，进行相互独立地工作。此外，可以开展相关实验，例如，计算机系统维护等，主要目的是分区处理磁盘，做好系统备份后，对磁盘进行格式化处理。然而，由于操作失误可能会影响数据的完整性，对实验技术平台建设具有一定影响，因此，可以在虚拟环境中完成该项操作，在进行格式化实验时，需要调节与设置CMOS，进而对操作系统进行有效控制。特别注意的是，与虚拟机对立的是真实文件信息，在操作虚拟机的过程中，不会影响数据存储与硬盘分区的完整性。在使用虚拟化技术时，可以增强计算机系统的可靠性与安全性，若是想要快速恢复系统功能，可以利用映像处理功能进行恢复。当结束操作后，若是不用恢复，可以利用虚拟机
进行克隆，并且任意处理虚拟机，而不会产生过大影响，当完成操作处理后，可以直接删除克隆的虚拟机。
2.3无盘网络技术
在客户端中，实验人员可以不用安装硬盘，利用无盘技术操作服务器，完成相关操作。由于该服务器具有较为特殊的内容，在运行过程中，需要操作工作站系统，实现无盘网络，目前，常见的无盘技术主要包括两种，分别是PXE和RPL，其中PXE应用范围较广主要作用是远程启动计算机，在连接服务器的过程中，主要釆用启动芯片，其安装在网卡中，当数据下载完成后，才能启动计算机系统。无盘网络技术比普通的网络技术更加具有优势，可以节省硬盘等资源，并且提高网络速度，至少比硬盘快2-3倍，而且使用无盘工作站还可以降低对PAM和CPU等资源的消耗，有利于节约资源。此外，在安装实验平台时，实验人员可以将虚拟机作为模板，创建浮动池与专用池，若是创建专业池，用户可以有专属的View桌面，在登录时，将会自动与虚拟桌面相连接，而且可以进行保存数据与安装应用程序等操作。而若是创建浮动池，则可以使用动态分配，对用户的虚拟桌面并没有过多限制，利用虚拟桌面，可以随意访问数据，在对桌面访问规则进行设置时，需要根据用户需求进行设置，完成服务器的安装[31o
3结论
利用虚拟化技术可以更好地连接各个计算机服务器，统一化与简单化管理计算机系统，确保虚拟机处理相互独立的状态，防止产生互相干扰的情况。在构建技术平台过程中，利用虚拟化技术可以建立小型网络，增强网络实验的准确性，实现自动化分配，充分挖掘资源，从而最大化减少总体损失。
参考文献
[1]李慧玲.计算机实验室管理平台中虚拟化技术的具体运
用[J].计算机产晶与流通,2019,000(01l):P.3-3. [2]张兴华.计算机实验室管理平台中虚拟化技术的具体运用
[J]，电子技术与软件工程,2019,No.l57(l1):172-173.
[3]刘定智.虚拟化技术在计算机实验技术平台构建中的运
用分析[J].产业创新研究,2019,000(011):P.41-41.
(上接第90页)
在寒冷地区的使用需要。(2)燃料电池系统在低温冷启动过程中出现水淹现象，可以通过自适应控制空
气供应、氢气供应、以及暂时降低电堆电流的过程，优化快速处理，迅速将液态水出带出，防止燃料电池单低，从而防止反极。
参考文献
[1]詹志刚，吕志勇，黄永等.质子交换膜燃料电池冷启动及性
能衰减研究UJ.武汉理工大学学报,2011,(1)：151-155.[2]候明，衣宝廉.燃料电池技术发展现状与展望[J]，电化
学,2012,18(1)：2-8.
[3]丁璞，常国峰，许思传.燃料电池发动机散热器传热与留
阻特性分析[J]，电源技术研究与设计,2013.
[4]质子交换膜燃料电池水淹和膜干故障诊断研究综述[J]
西南交通大学学报,2020(8)：828-831.
[5JPEMFC电堆内部水结冰、融化及冷启动过程的研究[J]，电源技术,2012(7)：976-979.
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