張海波，高 勇

燃料電池氣體溫濕度與電堆性能分析

張海波，高 勇

（武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064）

系統(tǒng)性能指標(biāo)是實現(xiàn)燃料電池工程化應(yīng)用的瓶頸之一，系統(tǒng)搭建和調(diào)試過程中，空氣與燃料溫濕度是影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能的重要因素，對系統(tǒng)控制策略和輔機(jī)搭配方案的制定產(chǎn)生很大影響。本文通過實驗與統(tǒng)計相結(jié)合的研究方式，研究15 kW燃料電池電堆在增濕溫度分別為60℃、70℃和80℃條件下分別進(jìn)行氫空單側(cè)增濕、雙側(cè)增濕和不增濕時的輸出功率、發(fā)電效率和單電池電壓一致性。其中輸出功率采用測試臺直接測量、發(fā)電效率通過經(jīng)驗公式計算、電壓一致性則通過巡檢記錄和統(tǒng)計方法相結(jié)合的方式評價。結(jié)果表明70℃時各增濕方案下優(yōu)于其他溫度同等濕度條件下的電堆性能，有增濕條件明顯優(yōu)于無增濕方案電堆性能，而雙側(cè)增濕和氫空單側(cè)增濕對電堆性能影響不大。

燃料電池 系統(tǒng)性能 溫度 濕度 單片電壓一致性

0 引言

燃料電池的環(huán)境適應(yīng)性研究對系統(tǒng)方案的設(shè)計和輔機(jī)的選擇具有重要的指導(dǎo)意義，有助于降低輔機(jī)功耗、減少系統(tǒng)整體成本、提高系統(tǒng)總體性能。本論文主要通過改變進(jìn)口氣體的溫度和增濕策略，對自主研發(fā)的15 kW質(zhì)子交換膜燃料電池電堆的輸出功率、氫氣利用率和單片電壓一致性三個方面的指標(biāo)進(jìn)行分析和優(yōu)化。

單片電壓一致性是衡量電堆性能的重要指標(biāo)，一致性對整個電堆的可靠性和工作性能將造成重大影響，當(dāng)一致性波動較大時，可能造成局部電流過大、熱點(diǎn)、反極等現(xiàn)象。影響電堆一致性的因素很多，如膜電極、雙極板等關(guān)鍵零部件的設(shè)計制備工藝、電堆組裝流程、電堆運(yùn)行環(huán)境等。本論文以運(yùn)行環(huán)境因素中的60℃、70℃和80℃三種溫度條件下的氫空單側(cè)、雙側(cè)和無增濕三種增濕策略為變量對電堆性能進(jìn)行分析與優(yōu)化。

1 方法

電堆輸出功率可直接在測試臺讀取；氫氣利用率可通過公式（1）計算[1]：

（1）

當(dāng)前評價電堆一致性與效率的方法很多[2~4]，本文采用比較各工況下單電池電壓波動數(shù)據(jù)、氫氣利用率和發(fā)電效率的方式進(jìn)行測試。整個測試分為四組試驗，分別在不加裝增濕系統(tǒng)、單側(cè)增濕（氫側(cè)、氧側(cè)）、兩側(cè)增濕系統(tǒng)四種增濕策略下改變增濕溫度（60℃、70℃、80℃），運(yùn)行15 kW級燃料電池模塊（含135片單電池），完成對系統(tǒng)功能項目的集中檢測。

2 結(jié)果

試驗過程監(jiān)控終端對15 kW燃料電池模塊傳感器數(shù)據(jù)進(jìn)行了自動記錄，對自動記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行了繪圖，為燃料電池模塊各試驗過程功率、電壓、電流曲線，如圖1所示。

圖中紅線（下部）是電流曲線，藍(lán)色（上部）是電壓曲線，黑色（中部）是功率曲線。通過對比各次試驗數(shù)據(jù)可知，加裝增濕系統(tǒng)后電堆運(yùn)行效果明顯好于未加裝增濕系統(tǒng)，未加裝增濕裝置（圖1（a））的最大輸出功率為12.408 kW，而雙側(cè)增濕（圖1（c））的最大輸出功率為15.776 kW；相同試驗條件下的單側(cè)增濕試驗，氫側(cè)單側(cè)增濕時最大輸出功率為15.991 kW，氧側(cè)單側(cè)增濕（圖1（b））時最大輸出功率為15.856 kW，由試驗結(jié)果可知，單獨(dú)增濕一側(cè)時，最大輸出功率相近，略好于雙側(cè)增濕；由增濕溫度對比試驗（圖1（d））可知，80℃時最大輸出功率為16.816 kW，與60℃試驗數(shù)據(jù)相近。

但60℃實驗過程中，由于單片電壓過低，為保護(hù)電堆，系統(tǒng)停機(jī)，從而滿負(fù)荷運(yùn)行時間過短。對比80℃增濕試驗，負(fù)載平穩(wěn)增加和氫側(cè)單側(cè)增濕試驗，載荷從0快速增加到滿負(fù)荷，兩次試驗100%負(fù)載時系統(tǒng)繼續(xù)平穩(wěn)運(yùn)行，分析原，負(fù)載增加過快時，由于尾排間隔未調(diào)整，導(dǎo)致電堆內(nèi)局部積水，個別單片電壓轉(zhuǎn)為負(fù)壓。解決方式為，小功率電堆模塊運(yùn)行時，可緩和增加負(fù)載（每次1 kW），或不斷減小尾排間隔的同時快速提高負(fù)載。此兩種方法，前者較為平穩(wěn)，但提升到滿負(fù)荷運(yùn)行時間較長；而后者到達(dá)滿工況運(yùn)行時間較短，但氫氧利用率會降低。

電堆試驗本應(yīng)對比50%工況和額定工況數(shù)據(jù)，但由于測試臺負(fù)載為300 kW，用做15 kW電堆測試時，小功率運(yùn)行誤差較大，所以此處僅分析滿工況條件下的數(shù)據(jù)。

將所有滿工況巡檢進(jìn)行分析可得表1，結(jié)合電壓一致性巡檢數(shù)據(jù)和統(tǒng)計方法分析可見雙側(cè)增濕在一致性上明顯好于單側(cè)，但由于60℃試驗滿工況運(yùn)行持續(xù)時間較短（僅47次巡檢，每次巡檢間隔2 s），且出現(xiàn)電堆積水自動停機(jī)，參考意義不大。故僅就試驗數(shù)據(jù)可得雙側(cè)加濕，增濕水溫度為70℃到80℃時一致性最優(yōu)，而70℃時雙側(cè)增濕數(shù)據(jù)好于80℃。

燃料電池的發(fā)電效率試驗采用理想效率′電壓效率′電流效率′氣體利用率求得。根據(jù)燃料電池模塊輸出功率達(dá)到50%額定、額定工況下的總電壓及燃料利用率計算電堆本體發(fā)電效率，效率計算結(jié)果如下表2所示：

表1 各試驗巡檢數(shù)據(jù)分析

表2 模塊發(fā)電效率

3 結(jié)論

加載增濕系統(tǒng)后，不論單側(cè)增濕，還是雙側(cè)增濕，電堆性能均有大幅提高。對于單側(cè)增濕試驗來說，氫側(cè)或氧側(cè)的單側(cè)增濕對結(jié)果影響不大，但單側(cè)增濕方案電堆發(fā)電效率略低于雙側(cè)增濕方案。且通過溫度試驗得知，70℃時雙側(cè)增濕，電堆性能優(yōu)于60℃和80℃的雙側(cè)增濕，但需保持同等試驗條件作進(jìn)一步驗證。

在下一步工作中，可增加進(jìn)出口壓力、壓差、啟動溫度、排水方案等更多變量，通過響應(yīng)面分析，對各影響電堆性能的各種變量進(jìn)行單變量響應(yīng)分析和多變量耦合響應(yīng)分析，更加系統(tǒng)的對電堆環(huán)境適應(yīng)性能力進(jìn)行深入研究。

[1] 衣寶廉. 燃料電池-原理.技術(shù).應(yīng)用[M]. 北京：化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2] Zhu W H, Payne R U, Cahela D R, et al. Uniformity analysis at MEA and stack levels for a Nexa PEM fuel cell system[J]. Journal of Power Sources, 2004, 128(2): 231-238.

[3] 毛宗強(qiáng). 燃料電池[M]. 北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2005.

[4] 翁元明, 林瑞, 唐文超, 馬建新. 燃料電池堆單片電壓一致性研究進(jìn)展. 電源技術(shù). 2015, 39(1): 199-202.

The Analysis of Fuel Cell Performance with the Temperature and Humidity of Input Gas

Zhang Haibo, Gao Yong

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

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TM911.4

A

1003-4862（2019）05-0042-04

2018-11-12

張海波（1986-），男，工程師。研究方向：燃料電池。E-mail: waveandfish@126.com