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(guò)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(mǎn)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
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(wú)人作戰(zhàn)平臺(tái)、無(wú)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(lèi)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(kāi)展可靠性研究,對(duì)促進(jìn)其可靠性增長(zhǎng)具有重大意義。
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(guò)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^(guò)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(guò)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
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(guò)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?。欢诘蛪呵闆r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(mǎn)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(shuō)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(mǎn)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
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(mǎn)足燃料電池電堆內(nèi)部產(chǎn)物水排放的要求;在滿(mǎn)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.
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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