張曉鵬 樸世文 鐘兵 楊芳 溫凱凱

摘 ?要：在完成燃料電池系統(tǒng)集成后，需要對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化。本文對(duì)50kW燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行活化，分別在在55℃、60℃、65℃、68℃、70℃運(yùn)行溫度標(biāo)定工況，根據(jù)不同溫度下運(yùn)行工況后的電堆內(nèi)阻及80%額定功率下電堆電壓確定燃料電池系統(tǒng)的最佳運(yùn)行溫度。研究表明，該燃料電池系統(tǒng)的最佳工作溫度為68℃。

關(guān)鍵詞：燃料電池系統(tǒng);熱管理;運(yùn)行溫度;內(nèi)阻

中圖分類號(hào)：U467.4+1 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0002-04

Study on the Optimal Operating Temperature of Proton Exchange Membrane Fuel Cell System

ZHANG Xiao-peng， PIAO Shi-wen， ZHONG Bin， YANG Fang， WEN Kai-kai

（ Xiangyang Daan Automobile Test Center， Xiangyang 441000， China ）

Abstract： After the fuel cell system integration is completed， the operating parameters of the whole system need to be further optimized. In this paper， the 50kW fuel cell system was activated and operated under the temperature calibration conditions respectively at 55℃， 60℃， 65℃， 68℃， 70℃. The optimal operating temperature was determined according to the internal resistance of fuel cell stack and the fuel cell stack voltage under 80% rated power condition. The results show that the optimal operating temperature of the fuel cell system is 68℃.

Key Words： Fuel Cell System; Heat Management; Operating Temperature; Internal Resistance

引 ? ?言

質(zhì)子交換膜燃料電池的性能受到諸多因素影響，其中水管理及熱管理是首先考慮的兩個(gè)因素。電堆內(nèi)部催化反應(yīng)需要在合適的溫度及濕度下進(jìn)行[1，2]，陽(yáng)極側(cè)的電滲透作用導(dǎo)致陽(yáng)極側(cè)濕度會(huì)降低，陽(yáng)極的加濕策略是采用氫氣循環(huán)策略，陽(yáng)極未完全反應(yīng)的氫氣會(huì)攜帶水蒸氣重新進(jìn)入陽(yáng)極，一方面提高氫氣利用率另一方面對(duì)陽(yáng)極氣體進(jìn)行增濕。陰極側(cè)反應(yīng)生成大量的水，需要及時(shí)排出。適當(dāng)提高運(yùn)行溫度可增加膜的電導(dǎo)率、交換電流密度、催化劑的活性且有利于氣體擴(kuò)散，從而提高電池的性能[3]。但是過(guò)高的溫度和電流密度容易造成陽(yáng)極側(cè)膜脫水，造成歐姆極化嚴(yán)重，同時(shí)高溫也會(huì)加速膜降解及蠕變、鉑溶解及雙極板的腐蝕[4～7]。

為了提高燃料電池性能需要將燃料電池運(yùn)行溫度控制在一定的范圍內(nèi)。如果溫度過(guò)低，將導(dǎo)致電堆的極化現(xiàn)象加劇[7]，輸出電壓降低，從而使電池性能惡化;如果溫度過(guò)高，將導(dǎo)致電堆內(nèi)膜電極脫水、收縮甚至破裂，而且燃料氣體中水蒸氣的分壓會(huì)升高，造成稀釋反應(yīng)氣體的濃度，嚴(yán)重時(shí)直接造成電堆膜電極失水損壞[6]。因此對(duì)于燃料電池系統(tǒng)集成而言，急需一種快速標(biāo)定燃料電池系統(tǒng)的最佳工作溫度的方法，依次來(lái)設(shè)定系統(tǒng)的運(yùn)行溫度，達(dá)到溫度濕度的平衡，保證系統(tǒng)性能和延長(zhǎng)使用壽命。

在研究燃料電池最優(yōu)工作溫度方面，多采用針對(duì)單片進(jìn)行電化學(xué)分析的方式[8，9]，以確認(rèn)最佳運(yùn)行溫度，此方法費(fèi)用低，可以得到豐富的電化學(xué)信息。但是，電堆組裝以及系統(tǒng)集成相對(duì)于單片電池結(jié)構(gòu)而言復(fù)雜程度呈數(shù)量級(jí)增加，因此單片電池的標(biāo)定結(jié)果不能完全與燃料電池系統(tǒng)相符合，導(dǎo)致標(biāo)定結(jié)果誤差較大。電堆內(nèi)阻與膜電極的干濕程度呈正相關(guān)，電堆在中高功率區(qū)間運(yùn)行時(shí)的電壓可以衡量電堆的擴(kuò)散極化，因此可以通過(guò)不同運(yùn)行溫度下電堆的內(nèi)阻以及中高功率區(qū)間輸出電壓來(lái)標(biāo)定系統(tǒng)的最佳運(yùn)行條件。本文建立了電堆內(nèi)阻法測(cè)定電堆膜電極的干濕狀態(tài)，輔助以運(yùn)行電壓的分析，建立確定燃料電池系統(tǒng)最佳運(yùn)行溫度的方法。

1 ? ?試驗(yàn)方法

1.1 ? 樣品及測(cè)試設(shè)備

本試驗(yàn)樣品為自行搭建的燃料電池系統(tǒng)，系統(tǒng)額定功率50kW，峰值功率55kW。測(cè)試設(shè)備采用Greenlight FCTS-M-100測(cè)試系統(tǒng)，內(nèi)阻測(cè)試采用日本HIOKI-BT3564型電阻測(cè)試儀。測(cè)試系統(tǒng)原理見(jiàn)圖1，測(cè)試設(shè)備精度見(jiàn)表1。

1.2 ? 測(cè)試操作

1）首先將燃料電池系統(tǒng)與臺(tái)架連接，將燃料電池系統(tǒng)氫氣、冷卻水進(jìn)出口、低壓供電、CAN通訊線及高壓負(fù)載線與臺(tái)架及上位機(jī)連接;

2）對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行氣密性測(cè)試，確認(rèn)無(wú)泄漏;

3）高低壓電供電，調(diào)試控制通訊后，對(duì)燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行活化，活化電流電壓見(jiàn)圖2;

4）停機(jī)后，打開陽(yáng)極供氫電磁閥，對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行補(bǔ)充氫氣，保持電堆開路電壓檢測(cè)電堆內(nèi)阻;

5）內(nèi)阻測(cè)試結(jié)束后，打開陽(yáng)極排氫閥，并按照正常停機(jī)進(jìn)行吹掃處理;

6）對(duì)測(cè)試臺(tái)架冷卻系統(tǒng)進(jìn)行運(yùn)行溫度設(shè)定，預(yù)熱至設(shè)定溫度后對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行通氫;

7） 按照溫度標(biāo)定工況（圖3）進(jìn)行開機(jī)自動(dòng)運(yùn)行標(biāo)定工況，每次試驗(yàn)測(cè)試3個(gè)循環(huán)，時(shí)長(zhǎng)1小時(shí)，測(cè)試過(guò)程中記錄電堆的電流電壓及電堆出口的水溫;

8）運(yùn)行結(jié)束并正常停機(jī)后，打開陽(yáng)極供氫電磁閥，對(duì)陽(yáng)極進(jìn)行補(bǔ)充氫氣，保持電堆開路電壓檢測(cè)電堆內(nèi)阻;

9）將測(cè)試臺(tái)架冷卻水出堆溫度分別設(shè)置為55℃、60℃、65℃、68℃、70℃ 5個(gè)運(yùn)行溫度，重復(fù)測(cè)試步驟6～8，結(jié)束后分別將不同運(yùn)行溫度下的電堆內(nèi)阻及40kW功率下的電堆電壓進(jìn)行作圖分析。

2 ? ?結(jié)果與討論

2.1 ? 電堆活化

電堆長(zhǎng)時(shí)間未工作，需首先進(jìn)行活化。以10 A/s的速率將電堆的功率拉載至40kW，穩(wěn)定運(yùn)行60min，以達(dá)到潤(rùn)濕膜電極的目的，使電堆處于正常工作狀態(tài)，如圖2所示：

2.2 ? 最佳運(yùn)行溫度標(biāo)定分析

實(shí)驗(yàn)中采用圖3標(biāo)定工況，此工況中功率涵蓋10～40kW，并包含多次變載、降載過(guò)程，而非恒定功率下運(yùn)行，更加真實(shí)模擬燃料電池系統(tǒng)車載運(yùn)行狀態(tài)。由于質(zhì)子交換膜的使用溫度上限在75℃左右，因此選擇運(yùn)行溫度區(qū)間為55～70℃。通過(guò)記錄不同溫度下在40kW固定功率下電堆的電壓及運(yùn)行結(jié)束后電堆的內(nèi)阻，來(lái)判斷電堆的膜電極干濕度及電堆的工作狀態(tài)。

圖4為不同溫度下系統(tǒng)功率和電堆出口溫度，從圖（a，b）55℃及60℃的測(cè)試結(jié)果可以看出，在40kW功率下時(shí)，系統(tǒng)的功率呈現(xiàn)波動(dòng)狀態(tài)，而隨著溫度升高到65℃后波動(dòng)得到緩解。這是因?yàn)樵?5℃以下電堆的催化劑活性不佳，加上運(yùn)行至高功率后陰極產(chǎn)生的水較多，排水不及時(shí)，而陽(yáng)極在低溫下氫氣循環(huán)中攜帶較多水份，也造成氫氣供給不足，因此造成功率波動(dòng)。隨著運(yùn)行溫度提升催化劑活性提升，同時(shí)氫氣循環(huán)中液態(tài)水含量下降，功率波動(dòng)得到緩解。

根據(jù)不同運(yùn)行溫度下電堆的電壓及電堆內(nèi)阻（圖5）進(jìn)行分析，隨著運(yùn)行溫度升高40kW功率下電堆的電壓呈現(xiàn)先升高后略微降低的趨勢(shì)，而電堆內(nèi)阻為先緩慢增加，后快速增加的趨勢(shì)。這是由于隨著運(yùn)行溫度的升高電堆的催化劑活性升高，電堆的電化學(xué)極化減弱，而隨著溫度的進(jìn)一步升高，膜電極含水量減低，從而導(dǎo)致質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導(dǎo)率下降，從而降低了電化學(xué)反應(yīng)速率。電堆的內(nèi)阻變化主要是由質(zhì)子交換膜的含水量變化引起，隨著溫度升高膜電極含水量呈現(xiàn)微弱變化，當(dāng)溫度超過(guò)65℃時(shí)，膜電極失水嚴(yán)重，導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率下降，從而表現(xiàn)為內(nèi)阻突然增加。由此看出在溫度68℃時(shí)，電堆催化劑活性處于較好的狀態(tài)而且電堆內(nèi)阻也適中。因此將電堆的出水溫度設(shè)置為68℃左右，即可以保證電堆具有較高的輸出電壓，又可以保證電堆膜電極具有良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率，避免質(zhì)子交換膜脫水、收縮甚至破裂而造成使用壽命衰減。

3 ? ?結(jié)論

對(duì)50kW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)進(jìn)行活化，在55℃、60℃、65℃、68℃、70℃ 5個(gè)運(yùn)行溫度下運(yùn)行溫度標(biāo)定工況，分析不同運(yùn)行溫度下電堆的內(nèi)阻及40kW功率下電堆的電壓。結(jié)果表明：隨著運(yùn)行溫度的提升，電堆的電壓先逐步升高后下降趨勢(shì)，而電堆內(nèi)阻呈現(xiàn)先緩慢升高后明顯升高的趨勢(shì)。電堆冷卻出水溫度設(shè)置為68℃時(shí)，既可以保證電堆的輸出性能又可以避免質(zhì)子交換膜因脫水而造成壽命衰減。在系統(tǒng)集成中，運(yùn)行溫度的設(shè)定過(guò)程中即要保證輸出性能，同時(shí)也要考慮電堆的運(yùn)行壽命?？梢詫㈦姸训膬?nèi)阻及輸出電壓作為運(yùn)行溫度標(biāo)定中考慮的重點(diǎn)要素，來(lái)實(shí)現(xiàn)電堆的高性能及長(zhǎng)壽命。

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張曉鵬

畢業(yè)于武漢理工大學(xué)，碩士研究生，現(xiàn)就職于襄陽(yáng)達(dá)安汽車檢測(cè)中心有限公司，主要研究方向：燃料電池電堆及系統(tǒng)試驗(yàn)技術(shù)研究，已發(fā)表論文2篇。

專家推薦語(yǔ)

羅馬吉

武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院

動(dòng)力工程及工程熱物理專業(yè) ?教授

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的工作溫度對(duì)燃料電池系統(tǒng)的性能及壽命影響顯著。論文提出了一種快速標(biāo)定燃料電池系統(tǒng)的最佳工作溫度的方法，該方法根據(jù)不同溫度下運(yùn)行溫度標(biāo)定工況后的電堆內(nèi)阻及80%額定功率下電堆電壓來(lái)確定燃料電池系統(tǒng)的最佳運(yùn)行溫度。論文工作具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值。