好文精选 | 同济大学电源系统智能管控实验室研究成果：PEMFC冷启动过程阻抗谱及特征频率分析

《汽车工程》2024年2期发表了同济大学电源系统智能管控实验室研究成果“PEMFC冷启动过程阻抗谱及特征频率分析”一文。为优化质子交换膜燃料电池(PEMFC)低温冷启动过程，并提供足量的反馈数据，论文在COMSOL中建立冷启动阻抗模型，结合试验分析其阻抗谱变化，分别在高、中、低频区间提出特征频率1kHz、50Hz和1Hz用于表征燃料电池冷启动过程。研究发现，上述特征频率在冷启动的前、中、后三个阶段变化显著。相较于获取完整的阻抗谱与拟合等效电路，该特征频率在保留了特征信息的情况下提高了采集数据的实时性。

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有零排放、能量转换效率高、加氢时间短和低噪声等特点。为实现PEMFC的广泛应用，须在广泛的环境下验证其有足够寿命，并实现可靠运行。为此，PEMFC须具备在低温环境中工作的能力。当温度降到零度以下时，副产物水结冰，导致反应动力学退化、多孔结构破坏，引起严重的缺气进而启动失败，并对电池寿命产生影响。因此，深入了解PEMFC的冷启动特性对于提高其整体运行可靠性至关重要。

1. 建立一维冷启动阻抗模型：基于多物理场数值仿真软件COMSOL建立质子交换膜燃料电池冷启动过程的一维数值阻抗模型；在COMSOL软件中自定义电流激励，以实现对模型的阻抗仿真，为后续试验提供理论依据。

表1 PEMFC的基本物理参数

2. 冷启动阻抗谱试验：采用商用膜电极组件(MEA)进行冷启动阻抗谱试验。试验分为活化，平衡吹扫，降温和冷启动四个阶段，试验条件参数与仿真相同。结合仿真与试验结果，综合分析冷启动过程中阻抗谱变化与特征频率提取。

图1 低温启动阻抗试验测试台

表2 试验条件

1. 阻抗谱分析：冷启动过程阻抗谱的变化分可为三个阶段，前期反应产水，膜逐渐湿润，阻抗谱高频左移，中低频圆弧变小；中期反应持续产水，气体传输受阻，高频基本不变，中低频逐渐增大；后期大量的液态水结冰，致使GDL及CL层气孔堵塞，反应气体无法进入，高频基本不变，中低频显著增大。

图2 低温启动动态阻抗谱试验结果

图3 冷启动时水结冰过程

 (a)燃料电池内部(b)冷启动第一阶段，反应产生水膜吸水 

(c)冷启动第二阶段，反应产生的液态水逐步堵住气孔 

(d)冷启动第三阶段，大量水结冰完全堵住气孔

 2. 等效电路拟合：等效电路拟合结果分别为:欧姆阻抗前期有所下降，中、后期基本不变；传荷阻抗前期有所下降，中期基本不变，后期最后三次循环由于大量结冰导致数值有所波动；传质阻抗前期基本不变，中后期显著增大。

图4 等效电路模型

图5 试验拟合结果

3. 特征频率阻抗分析：在高、中频率区间各频率点变化较为稳定，基本趋势均为前期缓慢下降，后期稳定不变；低频区间则明显不同，随着频率的降低，倍率显著放大。

表3  高、中、低频区间各频率点变化倍率试验结果

图6  试验数据不同频率区间阻抗变化

为深入了解冷启动特性，论文结合模型与试验综合分析了PEMFC在冷启动过程中阻抗谱的变化，并结合阻抗谱与等效电路拟合结果，提出特征频率，在该频率下能够获得冷启动过程中内部机理变化的特征信息。同时，该方法相较于获取完整阻抗谱和等效电路拟合，在具有其特征信息的情况下，有更好的实时性；为冷启动过程提供较为足量的数据作为反馈，用于优化和监测。