林 立，王 振

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燃料電池模塊氫氧置換和吹掃可靠性研究

林 立，王 振

(武漢船用電力推進(jìn)裝置研究所，武漢 430064)

通過對(duì)燃料電池模塊氫氧置換和吹掃兩個(gè)方面進(jìn)行可靠性試驗(yàn)，驗(yàn)證這兩個(gè)因素對(duì)燃料電池可靠性的影響。其中排放間隔和排放時(shí)間對(duì)均一性、氫氧利用率和燃料電池壽命均有影響，需要綜合考慮；而在滿足電堆設(shè)計(jì)需求的情況下適當(dāng)提高吹掃壓力有利于電堆運(yùn)行。

燃料電池 置換 吹掃 可靠性

0 引言

燃料電池具有效率高、振動(dòng)噪聲等級(jí)低、輸出功率大等優(yōu)點(diǎn)，其已廣泛應(yīng)用于常規(guī)潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺(tái)、無人潛艇、深潛器、陸軍軍用電源以及航天航空領(lǐng)域，支撐各國(guó)國(guó)防事業(yè)和重大科技項(xiàng)目。

燃料電池作為一個(gè)多輸入、多輸出、非線性的強(qiáng)耦合復(fù)雜系統(tǒng)，其電子設(shè)備和元器件種類繁多，電磁干擾環(huán)境惡劣，在實(shí)際運(yùn)行或臺(tái)架實(shí)驗(yàn)中難免會(huì)發(fā)生種種故障。特別是在燃料電池模塊運(yùn)行流程中，氫氧置換和吹掃能夠有效影響其可靠性并方便實(shí)現(xiàn)。因此，對(duì)燃料電池模塊的氫氧置換和吹掃流程開展可靠性研究，對(duì)促進(jìn)其可靠性增長(zhǎng)具有重大意義。

1 燃料電池模塊置換可靠性試驗(yàn)及分析

在模塊置換方面燃料電池全壽命周期可靠性關(guān)鍵因素有：排放間隔和排放時(shí)間，采用正交三水平兩因素試驗(yàn)，指標(biāo)為電堆運(yùn)行1小時(shí)后的工作點(diǎn)參數(shù)和單電壓均一性，該指標(biāo)通過試驗(yàn)測(cè)試得到，然后根據(jù)這三項(xiàng)參數(shù)綜合判斷其可靠性。對(duì)應(yīng)的正交試驗(yàn)表如表1。

根據(jù)表1、圖1和圖2所示，在其它條件不變的前提下，排放間隔和排放時(shí)間對(duì)燃料電池工作點(diǎn)參數(shù)和單電壓均一性的影響不同。排放間隔越長(zhǎng)燃料電池性能越差，主要因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)閉口運(yùn)行影響燃料電池生成水的排放，影響氫氧流場(chǎng)與膜電極之間的介質(zhì)傳輸，最終導(dǎo)致電性能下降。排放時(shí)間越長(zhǎng)燃料電池性能越好，原因同上；由試驗(yàn)數(shù)據(jù)可知，本試驗(yàn)選取的兩個(gè)排放時(shí)間對(duì)燃料電池性能的影響相對(duì)排放間隔較小，主要因?yàn)檫^長(zhǎng)的排放時(shí)間會(huì)導(dǎo)致氫氧尾排的增加，拉低氫氧利用率，而且會(huì)導(dǎo)致燃料電池尾部氫氧側(cè)壓力下降過快，使得燃料電池內(nèi)部氫氧側(cè)壓力波動(dòng)較大，影響燃料電池的壽命。

表1 模塊置換可靠性試驗(yàn)正交試驗(yàn)表

圖2 長(zhǎng)排放時(shí)間不同排放間隔單電池平均電壓

根據(jù)表1、圖3和圖4所示，排放間隔越長(zhǎng)，燃料電池均一性越差，主要因?yàn)殚L(zhǎng)時(shí)閉口運(yùn)行影響燃料電池生成水的排放，導(dǎo)致燃料電池局部水淹，最終的表現(xiàn)形式就是個(gè)別單電池性能下降，均一性差。排放時(shí)間越長(zhǎng)，燃料電池均一性越差，主要因?yàn)檩^長(zhǎng)時(shí)間的排放時(shí)間會(huì)引起燃料電池排水性能的提升同時(shí)也引起燃料電池氫氧側(cè)壓力的波動(dòng)，而燃料電池排水特性提升引起的均一性提高不及燃料電池氫氧側(cè)壓力波動(dòng)引起的均一性下降，最終導(dǎo)致燃料電池均一性差。為了保證燃料電池壽命，需要綜合考慮其排放間隔和排放時(shí)間。

圖3 短排放時(shí)間不同排放間隔單電池均一性

圖4 長(zhǎng)排放時(shí)間不同排放間隔單電池均一性

2 燃料電池模塊吹掃可靠性試驗(yàn)及分析

在模塊吹掃方面燃料電池全壽命周期可靠性關(guān)鍵因素有：吹掃壓力和吹掃時(shí)間，采用正交三水平兩因素試驗(yàn)，指標(biāo)為電堆運(yùn)行1小時(shí)后的工作點(diǎn)參數(shù)和單電壓均一性，該指標(biāo)通過試驗(yàn)測(cè)試得到，然后根據(jù)這三項(xiàng)參數(shù)綜合判斷其可靠性。對(duì)應(yīng)的正交試驗(yàn)表如表2。

根據(jù)表2和圖5~8所示，不同吹掃壓力下吹掃時(shí)間對(duì)燃料電池工作點(diǎn)參數(shù)和單電壓均一性的影響不同。在高壓情況下，較短時(shí)間內(nèi)可將燃料電池內(nèi)的產(chǎn)物水吹掃干凈，所以吹掃時(shí)間對(duì)燃料電池工作點(diǎn)參數(shù)和單電壓均一性的影響較小；而在低壓情況下需要較長(zhǎng)時(shí)間才能達(dá)到同樣的吹掃效果，較長(zhǎng)的吹掃時(shí)間更有利于電堆內(nèi)部徹底排水，對(duì)燃料電池工作點(diǎn)參數(shù)和單電壓均一性有較好的影響。因?yàn)槿剂想姵啬K吹掃壓力受限于燃料電池模塊工作壓力，所以根據(jù)燃料電池模塊工作壓力的不同選擇適當(dāng)?shù)拇祾邥r(shí)間，使其滿足燃料電池電堆內(nèi)部產(chǎn)物水排放的要求。

對(duì)比工況3&4和工況5&6，在其它條件不變的前提下，吹掃壓力越高，燃料電池工作點(diǎn)平均電壓輕微上漲，而其相應(yīng)的電流密度變化不大，即實(shí)際發(fā)電功率略漲。說明吹掃壓力有利于電堆電性能。但是燃料電池模塊吹掃壓力受限于模塊工作壓力，而工作壓力的選擇需要綜合考慮電堆密封性能、膜電極設(shè)計(jì)、排水方式、尾氣排放方式等各方面要求，所以在滿足電堆設(shè)計(jì)需求的情況下適當(dāng)提高吹掃壓力有利于電堆運(yùn)行。

表2 模塊吹掃可靠性試驗(yàn)正交試驗(yàn)表

3 結(jié)論

根據(jù)上述燃料電池可靠性試驗(yàn)及結(jié)果分析，得出主要結(jié)論如下：

1）排放間隔越長(zhǎng)燃料電池性能越差，排放時(shí)間越長(zhǎng)燃料電池性能越好，主要原因是受排水性能的影響；排放間隔越長(zhǎng)，排放時(shí)間越長(zhǎng)，燃料電池均一性越差，主要原因是排水性能和氫氧側(cè)壓力波動(dòng)的交叉影響；排放間隔和排放時(shí)間既影響燃料電池性能和均一性，也影響氫氧利用率和燃料電池壽命，需要綜合考慮。

2）根據(jù)燃料電池模塊工作壓力的不同選擇適當(dāng)?shù)拇祾邥r(shí)間，使其滿足燃料電池電堆內(nèi)部產(chǎn)物水排放的要求；在滿足電堆設(shè)計(jì)需求的情況下適當(dāng)提高吹掃壓力有利于電堆運(yùn)行。

圖6 長(zhǎng)吹掃時(shí)間不同吹掃壓力單電池平均電壓

圖7 短吹掃時(shí)間不同吹掃壓力電流密度

圖8 長(zhǎng)吹掃時(shí)間不同吹掃壓力電流密度

[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] 康銳, 石榮德. 型號(hào)可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范[M]．北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 2010.

[3] 任露泉. 試驗(yàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析[M]．北京: 高等教育出版社, 2003.

Reliability Research on the H2/O2Substitution and Purge of Fuel Cell Module

Lin Li, Wang Zhen

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

TM911

A

1003-4862（2019）06-0001-03

2018-12-10

林立(1978-)，高級(jí)工程師。研究方向：化學(xué)電源。E-mail: linli_csic712@126.com