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干货丨来看看车辆上下坡对燃料电池性能的影响有多大？

2023-12-06 11:17:29·  来源：特嗨氢能检测  
　
传统燃料电池堆性能测试时放置状态较为单一，多数为水平放置，质子交换膜不易发生存水和水淹现象。但在实车路况运行中，车辆可能存在倾斜状态（山路）或不同偏置下的运行情。水平放置的电堆性能测试无法模拟真实车辆运行中不同倾斜状态下的工况，现有的水管理模型少有考虑倾斜状态对电堆性能的影响，电堆倾斜角度试验也开展较少。因此特嗨氢能检测实验室通过选取不同倾斜角度进行试验，重点考察倾斜角度因素对电堆性能的影响。

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。坡度百分比法图片以坡面垂直高度（H）与水平方向（L）比值表示，坡面和水平方向形成的夹角为图片，坡度百分比法公式为图片，利用反三角函数得出坡度度数法（°）公式为图片。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。

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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。

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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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