1、 机电工程学院 毕业设计外文资料翻译 设计题目: GD1041型商用车传动轴、悬架设计 译文题目: 寿命评估方法和操作条件对汽车燃料电池的影响 学生姓名： 学 号： 专业班级： 指导教师： 正文：外文资料译文 附 件：外文资料原文 指导教师评语： 签名： 年 月 日正文：外文资料译文文献出处：中国机械工程杂志，2010（1）寿命评估方法和操作条件对汽车燃料电池的影响裴普成1, 袁星1, 李鹏程1, 2, 晁鹏翔1, 常倩妃11清华大学汽车安全与节能国家重点实验室，北京100084 ,中国2北京航空航天大学交通科学与工程学院，北京100191 ，中国摘要：寿命是汽车质子交换膜燃料电池的重要的指标
2、之一。人们用来评价汽车的燃料电池的寿命通过实验室试验或者道路试验，通常需要花费数千个小时甚至几年的时间。 为了获得快速评价技术，并寻求寿命延长的方法，长时间的研究成果得出，需要考虑车辆行驶工况和工作条件的因素。Bench试验，分别进行了两个一样的燃料电池堆应用在汽车上，并根据不断变化的负载周期，起停周期，怠速和大负荷的四种操作条件，得到了两个燃料电池堆的性能衰减率。其结果，预测的寿命，符合在实际道路上运行的状况。并在不同的负载条件下，完成了对燃料电池性能的衰减率的研究。于是，一个意外的发现是微电流操作对恢复燃料电池的性能有影响。汽车燃料电池的快速评估方法只需要驾驶循环，负荷循环，怠速工况和重负
3、载条件下的四个试验，且整个过程只持续不到250个小时。这些实验的结果能用来预测各种实用新型或者驾驶循环的汽车用燃料电池的寿命，因而，优化应用模型以延长燃料电池寿命。实际上在实验中，它已经被证明是成功的，通过优化操作模式，燃料电池的寿命可以从1100个小时延长到2600个小时。快速评估方法有助于开发延长燃料电池的寿命和燃料电池耗尽要更长的时间。关键词：质子交换膜燃料电池；燃料电池耐久性；寿命评估方法；操作状况改善1引言在车用替代动力系统中，质子交换膜燃料电池 （PEMFC） 具有传统内燃机的很多优点（ICE）。GRANOVSKII, et al1,研究氢燃料电池和汽油车的生命周期。WANG, e
4、t al2,发现通过仔细查看生产燃料的途径，燃料电池汽车能够达到预想的节能减排效益。THOMAS3 and COLELLA, et al4,，还发现了燃料电池的排放及能源优势。然而，质子交换膜燃料电池的耐久性在汽车上应用大大低于在静止时的应用5-7已成为阻碍燃料电池的发展。通常，用普通的方式需要很大的开支，以及大量的时间来评估燃料电池的寿命。同样也存在着与膜电极组件（MEA）在静止时燃料电池的应用的一个26300个小时的电池寿命的测试报告。为了确定在操作电流密度为800 mA/cm2时，在4V/h和6V/h之间的电池性能退化率，花费了3年时间才得到这些结果 8 。当然，更严格的操作，花费更少的
5、测试时间。然而，它是远离燃料电池的实际工作条件，因此为了得到评估燃料电池寿命的可靠性结果，需要认真的分析9研究不同燃料电池的寿命相比发现燃料电池的降解机制是有意义的。和两个质子交换膜燃料电池的耐久性在不同的操作 5 中进行了比较研究。在相同的操作条件下如何降解受到关注。据证实，燃料电池的降解随着不同的操作条件而变化。例如，燃料电池的工作负荷，燃料电池的空载，等 5。这意味着优化燃料电池的工作负荷，使有可能获得额外的寿命。在本文中，燃料电池汽车的驾驶循环基于燃料电池客车在实际加载城市道路上试验。给出了一种汽车用燃料电池寿命评估的方法，和两个质子交换膜燃料电池堆进行了测试和在实验室他们的寿命进行了
6、评估。因此，在所有的操作条件下，进行优化操作模式致使燃料电池寿命退化。2寿命快速评估的方法 2.1定义有关汽车燃料电池寿命的结束在额定条件下，平常的燃料电池的电压通常是0.7 V。我们定义这种汽车燃料电池的寿命终止是电池电压下降0.07V或下降从起始的额定点10%在相同的电流 4 下。图1.显示了燃料电池寿命从开始到结束的I-V测试曲线。图1 在现实的燃料电池公共汽车上定义燃料电池的寿命2.2燃料电池的寿命评估的公式每天都在一个确定的路线运行，我们的试验燃料电池公交汽车已覆盖了43 000公里的范围内。考虑到公共汽车的负载状况，实验室测试驾驶循环模拟车辆驾驶循环如下图2和表1，包括13分钟的高
7、功率状况，14分钟怠速工况，56负载变化的周期和在1小时内起停一次。图2 实验室测试模拟驾驶循环表1 实验室测试的燃料电池的工作状态燃料电池工作状况数值负荷循环 n1/ (次 h1)56空载时间t1/(分钟 h1)13高功率运行时间 t2/(分钟 h1)14启停频率n2/(次 h1)1汽车燃料电池的降解是复杂的，然而，它是专门为之前提到的上面四个工作状况。这是已知的燃料电池的性能的降解速率是线性的，及燃料电池的寿命方程可以用下面的公式计算 14：这里P1,P2，P3，P4分别指因负载变化周期的性能退化率，空载，高功率负荷状况和启动-停止循环，分别在实验室测量，n1, n2, t1, t2在表1
8、中获得，P为电压最大允许的降解是0.07 V. K为加速系数，因为实验室和路面之间的不同。由参考文献8得取1.72，但是所计算的寿命相比道路试验寿命减少10。所以把它取为1.6在4个实验室测试中，即负载变化循环测试，启动-停止循环测试，空载的测试和高功率负荷状况测试，燃料电池的寿命可以由方程 （1）计算。 3快速寿命评估的两个燃料电池堆3.1两个燃料电池堆的实验两种不同的燃料电池堆具有不同流场，但是在相同的活性区，用寿命快速评估方法评估。1号燃料电池堆和示范汽车燃料电池是一样的。首先，在实验室驾驶循环中测试这两个燃料电池堆。然后，这两个燃料电池堆寿命都被计算，如图3所示，图3（a）介绍了在实验
9、室驾驶循环中1号燃料电池堆的寿命退化，图3（b）显示2号燃料电池堆的测试结果。图3 两个燃料电池组实验室驾驶循环测试实验室驾驶循环测试的退化可以通过图3计算：所以，这两个燃料电池堆的寿命在前面的驾驶循环运行中可以直接得到，考虑汽车燃料电池寿命结束时的定义：LFC1= 1080小时，LFC2=750小时。随负载变化周期燃料电池电压的退化在图4中给出。燃料电池组电流的变化从23A到98A然后再到23A重复而负载改变循环试验。电压的衰减速率可以从图4中测量如下：图4 随负载变化周期电压的退化图5（a)表明,1号燃料电池堆的50个小时的测试结果，其空载电流密度10 mA/cm2及燃料电池堆的性能几乎得
10、到完全恢复，仅有一点点的衰变率无法挽回。它是有意义的，尽管我们25小时后，用不规则的方式测试了10个小时，测试结果显示与前面的试验有相同的变化速率。为了提高衰减率精度，保持定期和严格的测试过程是重要的。图5（b）提出了2号燃料电池堆试验结果，其空载电流密度10 mA/cm2和实验数据是能被接受的。从这些数据中，我们得到的电压衰减速率如下：图5 空载循环的电压退化高功率循环也影响燃料电池的寿命，在6（a）和6（b）图所示。图6 随高功率循环电压衰变两个燃料电池堆工作在100A的测试电流中，然后测量极化曲线。衰退率如下：图7给出了1号的燃料电池堆启动停止操作引起的退化。经过几次的启动停止操作后，在
11、电流100A，相同负荷变化试验中，测出燃料电池堆电压值。衰退的值可以从图7中得到：图7 在一号电池组中随启动-停止循环电压衰变2号燃料电池堆的性能呈非线性衰减是值得注意的，因为在未知的原因下，在测试平台上水泵停了好几次。我们发现1号燃料电池堆的现象也可以用公式（12）得到衰减值，由2号燃料电池堆的启动停止循环得到的：这意味着我们可以仅仅通过驾驶循环的四个测试实验获得燃料电池的寿命，负载的变化循环，空载循环和高功率循环，且总的测试时间不大于250个小时。3.2寿命计算与分析1号燃料电池堆燃料电池的电压的衰减率通过负荷变化循环，空载状况，高功率负载条件和启动停止循环分别表现为公式(4), (6),
12、 (8) 和 (10)。公式(5), (7), (9) 和 (13)。表现2号燃料电池堆电压的衰减率。图8显示在两个燃料电池组中电压衰减率的不同。在1号燃料电池堆中，负荷变化循环和启动停止循环是影响燃料电池性能衰减的主要因素。三分之一的衰减是由启动停止循环和超过50是由负荷变化循环。通过修改启动停止循环和负荷变化循环或减少它们的次数，无疑燃料电池的寿命将要被延长。表2显示1号燃料电池堆工作条件的优化和预测燃料电池客车的寿命。图8 两个电池组之间不同操作条件的对比表2 工作条件的优化参数原始模式改善模式燃料电池公共汽车的预测寿命一号三号负荷变化循环 n1/ (次 h1)56282841空载时间t
13、1/(分钟 h1)14142125高功率运行时间 t2/(分钟 h1)1313910启停频率n2/(次 h1)0.990.991.180.88预测寿命Lf/h1080264026361917性能衰减率Ud/(mV h1)0.06730.02650.02650.0365图9表示1号燃料电池公共汽车的衰减率吻合预测的电压衰减率，进一步证明了公式（1）的有效性。图9 1号燃料电池公共汽车预测寿命4 汽车燃料电池的最佳运行负荷确定高功率循环在70A和100A时测量电压衰减率如图10所示。与图6（b）相比较，高功率循环的电压衰减率在70 A是224V/ h大于在100 A时的110V/h。这可能是由于燃
14、料电池流场的设计，设定电流100A接近额定负荷，那么水和热管理在所有操作条件下处于更好的。图10 在70A随高功率循环测试电压衰变图11（a），图5（b），和图11（b）显示空载循环在不同的电流密度30 mA/cm2，10 mA/cm2，和5 mA/cm2下的测试结果。结果表明，更低的空载电流，更小的电压衰减率。令人意想不到的是在空载循环1.4A（5mA/cm2时）试验中电压逐渐增大。所以我们可以用这个特性来延长燃料电池的寿命。图11 随空载循环电压衰变图12表示接近设定的电流，使汽车燃料电池的寿命更长。这意味着，当燃料电池工作在空载状态下，更低得负荷电流对于燃料电池寿命更好。当它工作在高功率状况下，在额定负载下负载电流在额定设定的电流值附近，来保证燃料电池有更长的使用寿命。图12 确定最佳运行负荷5 结论（1）寿命公式包括由启动停止循环，空载循环，负载变化循环和高功率负荷循环导致的性能衰减率，显示与燃料电池客车实际城市道路试验相比较是可行的。（2）汽车燃料电池的寿命，可以根据在实验室
