干货丨来看看车辆上下坡对燃料电池性能的影响有多大?
1、倾斜角度试验方案
常用表示坡度方法有百分比法和度数法,二者本质含义一致,表达形式不同,存在一一对应关系。坡度百分比法以坡面垂直高度(H)与水平方向(L)比值表示,坡面和水平方向形成的夹角为
,坡度百分比法公式为
,利用反三角函数得出坡度度数法(°)公式为
。普通轿车爬坡度约30%左右,越野车爬坡度约60%。本试验采用坡度度数法,度数法30°约对应于百分比法60%,如下图1选取4种倾斜状态“①模拟上坡X-30°;②模拟下坡X+30°;③模拟左偏置Y-25°;④模拟右偏置Y+25°”用以模拟车辆不同路况时电堆不同的运行状态。

图1 试验倾斜角度选取
2、倾斜角度对电堆性能的影响
定义△V(mV)为电堆在同一个运行电流下,倾斜状态时的平均电压减去水平放置时的平均电压,若△V>0,则倾斜时大于水平放置时性能,若△V<0,则倾斜时小于水平放置时性能。
电堆工作中,产生水一般由气体加湿和阴极生成水组成,若按X+30°放置,液态水在重力作用下自上而下流动,液态水分布分散积聚在膜电极的局部下缘,但此时气体流动和液态水流动方向相反,气体对液态水的冲击力成为一种阻力,导致液态水排出受阻。相反的,若按X-30°放置,本身液态水自上而下流动,而反应气也自上而下流动,则液态水在流道内将会受到重力和气流冲击的双重正向作用,加速液态水排除,从而降低因液态水阻塞和局部水淹现象发生。电堆按Y-25°放置,产生液态水整体积聚在膜电极的局部边缘区域。电堆按Y+25°放置,气流和液态水流道方向相反,重力作用成为电堆排水的主要阻力,不利于排水。若气体流速快、流量大,液态水会被气体带走,顺利排出电堆外部;若气体流速小、流量小,液态水会在流道内积聚,排水不畅引发水淹。
此次测试,燃料电池堆的整体性能表现如图2,X+30°状态>X-30°状态>水平放置状态,即前后倾斜大于水平放置时性能。在低负载区,Y+25°状态所表现在性能方面较低,整体性能表现为水平放置状态>Y-25°状态>Y+25°状态,即水平放置大于左右偏置时性能。
电堆单电池电压平均偏差差异率在1.0%以内,电压一致性良好,无明显单低现象。在额定功率和峰值功率下,X-30°状态下存在最小的阴极压降,相比其他倾斜状态平均低约3kPa ~8kPa,Y-25°状态下存在最大的阴极压降,相比其他倾斜状态平均高1kPa ~8kPa。倾斜状态下运行的冷却液流量和温差无明显差异。

图2 倾斜状态与平放时电堆的性能差异
3、总结
倾斜状态下的电堆产水和气流方向发生明显改变,某些倾斜状态下会造成排水不畅,进而导致性能变低,同时也会导致压降产生差异。该试验项目有助于更全面的了解电堆的不同运行状态下的性能表现,保证电堆在实车运行上稳定性。
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