劉亞楠，王遠(yuǎn)遠(yuǎn)，黃 剛，侯永平

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804;2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804)

中小型固定電站系統(tǒng)在電網(wǎng)崩潰和意外災(zāi)害等情況下，可作為備用電源保證負(fù)載的穩(wěn)定運(yùn)行，市場(chǎng)前景可觀［1］。電池性能及壽命是阻礙中小型固定電站系統(tǒng)商業(yè)化的關(guān)鍵。美國(guó)能源部提出，用于固定電站的燃料電池堆的使用壽命為40 000 h 時(shí)，燃料電池固定電站才具有較高的經(jīng)濟(jì)效益［2］。影響燃料電池性能的因素有很多，低溫冷啟動(dòng)、電池運(yùn)行過(guò)程中質(zhì)子交換膜退化、碳載體腐蝕及電催化劑中毒等，是導(dǎo)致燃料電池性能衰減的主要原因［3－4］。

本文作者對(duì)用于某小型固定電站的質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)系統(tǒng)性能衰減的規(guī)律進(jìn)行了試驗(yàn)研究，旨在為固定電站用燃料電池技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖1。

圖1 燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Schematic of the fuel cell system

燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆、水熱管理系統(tǒng)、供氧系統(tǒng)、供氫系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等5 部分構(gòu)成。作為固定電站的備用電源，當(dāng)市電輸入正常時(shí)，市電通過(guò)市電整流器為負(fù)載提供電源;當(dāng)市電中斷時(shí)，由控制單元啟動(dòng)燃料電池堆，在啟動(dòng)過(guò)程中，先由輔助電池不間斷地對(duì)負(fù)載供電，啟動(dòng)后，生成的電能經(jīng)過(guò)DC/DC 轉(zhuǎn)化器，為負(fù)載提供穩(wěn)定的直流輸出電源。

燃料電池系統(tǒng)的額定功率為7.5 kW，燃料電池堆(江蘇產(chǎn))由110 只單體電池串聯(lián)組成，膜的總有效工作面積為280 cm2。單體電池的編號(hào)規(guī)則為:靠近氫氣入口處的單體電池為1 號(hào)，依次排列，氫氣出口處的單體電池為110 號(hào)。

燃料電池系統(tǒng)由停機(jī)狀態(tài)啟動(dòng)，在5 kW 的功率水平下連續(xù)運(yùn)行1 h，然后停機(jī)24 h，再進(jìn)行第2 次試驗(yàn);燃料電池系統(tǒng)總運(yùn)行時(shí)間到150 h 后，測(cè)試結(jié)束。電堆及負(fù)載的電壓由LV25-200 LEM 電壓傳感器(北京產(chǎn))測(cè)得，電堆及負(fù)載的電流由LA125-P LEM 霍爾電流傳感器(北京產(chǎn))測(cè)得。系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，燃料電池堆的工作溫度為60℃，空氣進(jìn)口壓力恒定為8 kPa，氫氣進(jìn)口壓力為55 kPa。

2 結(jié)果與討論

2.1 電壓衰減規(guī)律

2.1.1 電堆電壓變化特性

燃料電池系統(tǒng)在恒定負(fù)載下穩(wěn)定運(yùn)行1 h，燃料電池堆電壓及電流的動(dòng)態(tài)特性見(jiàn)圖2。

圖2 恒定負(fù)載運(yùn)行時(shí)燃料電池堆電壓及電流的動(dòng)態(tài)特性Fig.2 Transient responses of fuel cell stack voltage and current under constant load

從圖2 可知，電壓穩(wěn)定在77 V 左右;電流由于排氫過(guò)程的存在，有一個(gè)周期性的回升現(xiàn)象，當(dāng)排氫開(kāi)始時(shí)，氫氣流量瞬時(shí)增加，電流急劇上升到80 A 的峰值，隨著排氫結(jié)束，電流下降至66 A。由燃料電池的極化特性可知，燃料電池電壓損耗主要分為活化損耗，歐姆損耗以及濃差損耗，在中高電流下，燃料電池處于歐姆極化區(qū)，故此時(shí)燃料電池電壓主要受到歐姆極化的影響。

燃料電池堆電壓隨運(yùn)行時(shí)間的變化特性見(jiàn)圖3。

圖3 燃料電池堆的電壓變化Fig.3 Voltage changing of the fuel cell stack

從圖3 可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，電堆電壓總體上呈下降的趨勢(shì)。電堆的初始電壓為81.54 V，運(yùn)行150 h 后，電壓比初始值下降了6.38 V，衰減率為7.82%，衰減速率為0.042 V/h。這說(shuō)明在長(zhǎng)時(shí)間的燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，隨著電極材料的退化，電極極化加劇使電池的歐姆內(nèi)阻增大。電堆電壓在運(yùn)行初期下降較快，隨后變緩，0～20 h 運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，電堆電壓的衰減速率為0.26 V/h。

2.1.2 單體電池電壓變化特性

燃料電池堆的性能很大程度上取決于構(gòu)成電堆單體電池的性能特點(diǎn)，因此，在考察電堆電壓的變化特性后，對(duì)單體電池性能的變化規(guī)律進(jìn)行分析。

燃料電池系統(tǒng)由停機(jī)狀態(tài)起動(dòng)后，單體電池電壓在空載時(shí)是0.9 V 左右，正常運(yùn)行時(shí)單體電池的工作電壓在0.7 V左右。單體電池的極值電壓是體現(xiàn)電池性能的一個(gè)重要參數(shù)，過(guò)高或過(guò)低的單體電池電壓都是單體電池出現(xiàn)異常的表現(xiàn)。測(cè)試過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，出現(xiàn)極值的單體電池并不總是同一只單體電池，很多單體電池在運(yùn)行過(guò)程中都可能出現(xiàn)瞬時(shí)的極值電壓，運(yùn)行時(shí)間超過(guò)80 h 后，1 h 連續(xù)運(yùn)行過(guò)程中出現(xiàn)最高電壓的單體電池逐漸減少。出現(xiàn)最高電壓次數(shù)最多的單體電池，在80 h 以前為43 號(hào)和95 號(hào)，之后變?yōu)?3 號(hào);而常出現(xiàn)最低電壓的單體電池為3 號(hào)、33 號(hào)和71 號(hào)。由此可知，極值電壓多出現(xiàn)在40 號(hào)之前，60 號(hào)之后的單體電池中，靠近燃料電池堆進(jìn)氣端和排氣端的單體電池容易出現(xiàn)極值電壓。極值電壓的出現(xiàn)是反應(yīng)氣體在各單體電池中分配不均勻造成的，雙極板加工和流場(chǎng)設(shè)計(jì)不合理、反應(yīng)氣體的流速較低及單體電池未及時(shí)排水，都會(huì)導(dǎo)致此現(xiàn)象的發(fā)生。

對(duì)具有代表性的單體電池電壓進(jìn)行分析，1 號(hào)電池最靠近燃料電池堆的燃料進(jìn)氣端，110 號(hào)電池是燃料電池堆的末端，3 號(hào)電池最常出現(xiàn)最低電壓，而95 號(hào)電池最常出現(xiàn)最高電壓。

1 號(hào)、3 號(hào)、95 號(hào)和110 號(hào)單體電池電壓隨時(shí)間的變化見(jiàn)圖4。

圖4 部分單體電池的電壓變化Fig.4 Voltage changing of some single cells

燃料電池系統(tǒng)在150 h 的運(yùn)行過(guò)程中單體電池平均電壓為0.7 V，從圖4 可知，1 號(hào)、3 號(hào)、95 號(hào)和110 號(hào)單體電池的平均電壓分別為0.70 V、0.68 V、0.72 V 和0.69 V，說(shuō)明3 號(hào)和110 號(hào)單體電池的電壓低于平均值。單體電池的電壓隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而下降，與電堆電壓的衰減趨勢(shì)一致。1 號(hào)、3 號(hào)、95 號(hào)和110 號(hào)單體電池，電壓的衰減速率分別為0.27 mV/h、0.54 mV/h、0.31 mV/h 和0.34 mV/h。

各單體電池電壓的衰減速率見(jiàn)圖5。

圖5 單體電池的電壓衰減速率Fig.5 Voltage decreasing rate of single cell

從圖5 可知，單體電池電壓平均衰減速率為0.37 mV/h，3 號(hào)單體電池電壓衰減最快，衰減率為7.95%，73 號(hào)單體電池電壓衰減最慢，衰減速率為0.054 mV/h，衰減率為1.03%。在未出現(xiàn)極值電壓的單體電池中，1～42 號(hào)單體電池的衰減速率大于44～110 號(hào)單體電池。3 號(hào)、33 號(hào)及71 號(hào)單體電池的電壓衰減速率大于平均值，而43 號(hào)和73 號(hào)單體電池的電壓衰減速率小于平均值。3 號(hào)、33 號(hào)及71 號(hào)電池在150 h 運(yùn)行的過(guò)程中最常出現(xiàn)最低電壓，而43 號(hào)和73 號(hào)單體電池最常出現(xiàn)最高電壓，說(shuō)明高電壓的單體電池衰減最慢，未出現(xiàn)極值電壓的單體電壓衰減次之，低電壓的單體電池衰減最快。

從圖2 和圖5 可得到燃料電池堆電壓和單體電池電壓的衰減率，110 只單體電池中，有12 只單體電池的電壓衰減率高于電堆的衰減率，3 號(hào)單體電池的衰減率超過(guò)電堆電壓，1 號(hào)單體電池的衰減率約為電堆電壓的一半。燃料電池堆的電壓衰減率高于單體電池電壓的平均衰減率，由此可知，性能較差的單體電池對(duì)電堆整體性能影響很大，燃料電池串聯(lián)時(shí)系統(tǒng)的性能受限于最弱的單體電池。

2.1.3 電池電壓的穩(wěn)定性

電池電壓的穩(wěn)定性對(duì)電池的性能及壽命影響顯著，在恒定負(fù)載運(yùn)行的條件下，電池電壓的穩(wěn)定性可從電堆電壓的穩(wěn)定性和各單體電池電壓一致性兩個(gè)方面進(jìn)行研究。

定義電堆電壓的波動(dòng)系數(shù)為λs，用以體現(xiàn)燃料電池堆在運(yùn)行中的穩(wěn)定性，計(jì)算公式見(jiàn)式(1)。λs越大，電堆電壓越不穩(wěn)定。電堆電壓值的采樣頻率為1 Hz。

式(1)中:m 是運(yùn)行時(shí)間(3 600 s)，Ui是瞬時(shí)電堆電壓值(V)是電壓平均值(V)。

定義單體電池電壓的一致性系數(shù)為λc，用以體現(xiàn)在運(yùn)行過(guò)程中，單體電池之間的電壓差異程度，計(jì)算公式見(jiàn)式(2)。λc越大，各單體電池電壓之間的差異越大。

式(2)中:n 是單體電池的數(shù)量(110)，Uj是每只單體電池的電壓(V)，是各單體電池電壓的平均值(V)。

λs和λc的變化特性見(jiàn)圖6。

圖6 電堆電壓波動(dòng)系數(shù)和單體電池電壓一致性系數(shù)Fig.6 The fluctuation coefficient of stack voltage and consistency coefficient of single cell voltage

從圖6 可知，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，電池電壓的穩(wěn)定性下降。λs的平均值為0.005，波動(dòng)系數(shù)分布較分散，說(shuō)明電堆電壓在每次運(yùn)行時(shí)的穩(wěn)定程度變化很大，在40～60 h 的運(yùn)行時(shí)間段內(nèi)，電堆電壓穩(wěn)定性最差，主要是操作條件等外在因素導(dǎo)致的。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，λs呈逐漸增大的趨勢(shì)，說(shuō)明燃料電池系統(tǒng)在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行后，性能退化導(dǎo)致電堆電壓的穩(wěn)定性下降。隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)，λc線性增加，由于原料的批次穩(wěn)定性、電極板的制作及制造工藝等不同，單體電池在運(yùn)行初期就存在個(gè)體差異，而在長(zhǎng)時(shí)間的運(yùn)行過(guò)程中，由于運(yùn)行環(huán)境、串并聯(lián)位置及自放電程度等的影響，λc值比初始值增加了3 倍，單體電池之間的電壓差異增大。

2.2 功率衰減規(guī)律

輔助系統(tǒng)的功率由燃料電池系統(tǒng)本身提供，因此輔助功率占總功率的比例，反映了整個(gè)系統(tǒng)的匹配情況。

圖7 是燃料電池堆功率和輔助系統(tǒng)功率隨著運(yùn)行時(shí)間的變化特性。

圖7 燃料電池堆功率和輔助系統(tǒng)的功率變化Fig.7 Power changing of fuel cell stack and auxiliary system

從圖7 可知，電堆功率在運(yùn)行初期為5.6 kW，30 h 時(shí)約為6 kW，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而逐漸下降，至90 h 時(shí)為最低值5.2 kW，然后隨著時(shí)間的延長(zhǎng)而略微上升，并且穩(wěn)定在5.4 kW 左右。由此可知，燃料電池堆的功率大致在5.5 kW左右，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)而上下波動(dòng)，并在總體上呈下降的趨勢(shì)，下降速率為2.8 W/h。輔助系統(tǒng)的功率消耗主要由風(fēng)機(jī)、冷卻水泵和散熱風(fēng)扇的功率組成。輔助功率為0.60～0.75 kW，隨著運(yùn)行時(shí)間的延長(zhǎng)略有下降，下降速率為0.4 W/h。

2.3 效率衰減規(guī)律

燃料電池堆中的電流經(jīng)過(guò)DC/DC 變換器后提供給負(fù)載，對(duì)于整個(gè)燃料電池系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，燃料電池堆生成的功率一部分用于輔助系統(tǒng)的功率消耗，同時(shí)，電源系統(tǒng)輸出功率還要考慮電子元件與電路中的功率損失，因此定義電源系統(tǒng)效率η 為負(fù)載功率與電堆總功率的比值。

式(3)中:Pl是負(fù)載功率(kW)，PS是燃料電池堆功率(kW)。

燃料電池系統(tǒng)效率的變化曲線見(jiàn)圖8。

圖8 燃料電池系統(tǒng)的效率Fig.8 Efficiency of the fuel cell system

從圖8 可知，系統(tǒng)效率的變化范圍為80%～88%，平均值為84%，燃料電池系統(tǒng)的效率在60～100 h 時(shí)波動(dòng)幅度較大，經(jīng)過(guò)150 h 的運(yùn)行后，系統(tǒng)效率比運(yùn)行初期下降了3%。從圖7 計(jì)算可知，輔助功率約占電堆功率的12%，因此輔助系統(tǒng)功率消耗是影響系統(tǒng)效率的主要因素。

3 結(jié)論

本文作者從電壓、功率以及效率等3 個(gè)方面研究了固定電站用燃料電池系統(tǒng)在恒負(fù)載條件下的性能衰減規(guī)律。

在70 A 的恒定電流下，燃料電池堆的功率約為5.5 kW，輔助系統(tǒng)消耗的功率范圍為0.6～0.75 kW，燃料電池系統(tǒng)的效率約為84%。隨著運(yùn)行時(shí)間的增加，電堆電壓的衰減速率為0.042 V/h，單體電池電壓平均下降速率為0.37 mV/h，電堆功率下降速率為2.8 W/h;燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行150 h 后，單體電池一致性下降了3 倍，而系統(tǒng)效率則下降了3%。研究表明:電壓衰減最快的單體電池很大程度上決定了燃料電池堆整體性能，因此，改善單體電池性能及工作模式，對(duì)提高燃料電池電站系統(tǒng)的性能和壽命有重大意義。

［1］Corbo P，Migliardini F，Veneri O.Experimental analysis and management issues of a hydrogen fuel cell system for stationary and mobile application［J］.Energy Conversion and Management，2007，48(8):2 365－2 374.

［2］Yuan X，Wang H，Sun J，et al.AC impedance technique in PEM fuel cell diagnosis-A review［J］.Int J Hydrogen Energy，2007，32(17):4 365－4 380.

［3］Shen Q，Hou M，Dong L，et al.Study on the processes of start-up and shutdown in proton exchange membrane fuel cells［J］.J Power Sources，2009，189(2):1 114－1 119.

［4］HOU Jun-bo(侯俊波)，YU Hong-mei(俞紅梅)，SHAO Zhi-gang(邵志剛)，et al.質(zhì)子交換膜燃料電池的0℃以下耐受性［J］.Battery Bimonthly(電池)，2007，37(6):411－415.