胡 旦，張夢元，張 望

船用PEMFC發(fā)電模塊高原運行特性研究

胡 旦，張夢元，張 望

（武漢氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)研究院，武漢 430074）

船用燃料電池發(fā)電模塊陰極側(cè)受海拔環(huán)境影響較大，本文主要從理論上分析了陰極側(cè)過量系數(shù)及反應(yīng)壓力對燃料電池性能的影響，對陰極側(cè)主要元件空壓機的性能進行了標定及仿真分析，進而優(yōu)化控制參數(shù)，并通過試驗對控制參數(shù)進行了驗證。

船用燃料電池 高海拔 過量系數(shù) 壓力 效率

0 引言

水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電裝置是目前應(yīng)用最為廣泛的燃料電池之一，其陰極采用高轉(zhuǎn)速空壓機供給空氣。研究及試驗數(shù)據(jù)表明燃料電池的發(fā)電效率、單電壓、以及壽命等性能對供氣壓力、反應(yīng)氣體過量系數(shù)、環(huán)境溫度、濕度等因素十分敏感，而地球上不同地區(qū)的環(huán)境溫度、濕度、空氣的中氧氣的濃度、分壓等不盡相同，特別是高海拔地區(qū)空氣稀薄，溫度、濕度、氧濃度與低海拔地區(qū)差距巨大，燃料電池有可能面臨欠氣、效率低、淹水等問題。

本文針對高海拔環(huán)境下船用燃料電池發(fā)電裝置運行特性進行研究，提出了相對應(yīng)的改進策略，為裝置的環(huán)境通用性提供試驗支撐。

1 燃料電池環(huán)境敏感性分析

1.1 高海拔環(huán)境參數(shù)

本文主要針對海拔4000 m與海拔0 m地區(qū)燃料電池的運行特性進行分析，表1給出了兩種海拔下的具體環(huán)境參數(shù)。

表1 不同海拔高度的環(huán)境參數(shù)[1]

由于發(fā)電模塊采用水冷控溫的方式，模塊穩(wěn)定運行時電堆內(nèi)的溫度基本保持為入口60℃，出口65℃，受環(huán)境溫度影響較??；而空氣回路（陰極）空壓機流量及升壓比受大氣環(huán)境壓力影響較大。

1.2 反應(yīng)壓力敏感性分析

對于燃料電池額定運行工況，由能斯特方程可得不同壓力下其理想電動勢可表示為：

燃料電池中還存在多種類型的電壓損耗，如活化極化、濃度極化、歐姆損耗等，且大部分損耗主要發(fā)生在陰極，可獲得燃料電池極化曲線足夠精確的近似模型[2]。

以1 atm環(huán)境條件為參考標準，假設(shè)模塊運行時具有相同的表壓，發(fā)電模塊額定工況下得到電壓變化與環(huán)境壓力變化的曲線圖，如圖1所示，海拔4 000 m時絕對氣壓下降約38 kPa，相同的電流密度和工作溫度條件下，燃料電池性能理論會下降15 mV左右。

圖1 壓力變化vs電壓變化@1atm_base

1.3 空氣過量系數(shù)敏感性分析

則變化趨勢如圖3所示：

圖3 濃度極化損耗-過氧比

理論上隨著過氧比的升高，燃料電池的損耗減小，當過氧比大于3.0之后損耗改善較小，可忽略不計，當過氧比小于1.5～2.0時，電堆濃度損耗隨著過氧比的減小急劇惡化。另一方面，過氧比的提高意味著空壓機功率消耗提高，以及過大的過量系數(shù)會造成燃料電池質(zhì)子交換膜水含量降低，反而影響電堆性能，所以在過氧比的選取上需要綜合考慮效率與電池壽命的影響。

2 燃料電池高海拔性能分析

2.1 空壓機高海拔性能

圖4 海拔4 000 m環(huán)境空壓機流量壓力特性曲線

海拔4 000 m空壓機的流量特性見圖4。除了流量，另一方面空壓機的功耗作為主要的輔機功耗對燃料電池發(fā)電模塊的輸出效率有著比較大的影響，事實上空壓機的做工過程可以等效為絕熱壓縮過程，其功率可由下式表達：

其中為空氣比熱容比（絕熱系數(shù)），為壓縮機級數(shù)。式（8）表明空壓機功耗是由升壓比和轉(zhuǎn)速共同決定的，所以在高海拔地區(qū)升壓比過大反而會造成空壓機的功耗更大。

根據(jù)試驗數(shù)據(jù)得到擬合參數(shù)如表1，擬合結(jié)果如圖5所示，通過低海拔與高海拔試驗數(shù)據(jù)進行檢驗，理論數(shù)據(jù)與實際功率數(shù)據(jù)較為貼合，表明式（8）可以作為空壓機功率預(yù)測模型。從式（8）及圖4可以看出高海拔地區(qū)空壓機的升壓比更大，所以功耗更大。

表2 擬合系數(shù)

圖5 空壓機功率擬合

2.2 燃料電池高海拔運行特性

2.2.1 燃料電池發(fā)電模塊運行參數(shù)

高原環(huán)境下模塊陰極側(cè)過量系數(shù)及壓力隨電流的變化如圖6、圖7所示，過量系數(shù)2.0～4.5，隨著電流的增大逐漸減小，保持在2.0以上，同時兩種狀態(tài)絕對壓差恒定在37 kPa左右。

圖6 陰極過量系數(shù)

圖7 陰極工作壓力

2.2.2 燃料電池發(fā)電模塊運行特性

電堆質(zhì)子交換膜的干濕程度對電堆的性能和壽命都有比較大的影響，在不發(fā)生堵水的情況下，更大的濕度會帶來更大的反應(yīng)活性。在電堆運行過程中陰極側(cè)大量反應(yīng)生成水除了隨空氣直接排入大氣中，同時還會通過質(zhì)子交換膜反滲透到陽極側(cè)，這些水少部分隨脈沖尾排排放，另外主要通過管路上的分水器排出，因此通過測量排水閥的開啟頻次，記錄模塊累計分水時長可以作為一種較為有效的電堆干濕程度的表征方法。在2.2.1節(jié)中對應(yīng)的參數(shù)狀態(tài)下，燃料電池發(fā)電模塊額定工況下陽極側(cè)分水狀態(tài)如圖8所示。

圖8 額定功率分水曲線

對比額定工況下相同模塊、相同運行溫度下的分水頻率，模塊在低海拔地區(qū)運行時分水量卻略多于高海拔環(huán)境下的狀態(tài)，這主要是因為高海拔地區(qū)空氣濕度較低。

圖9 極化曲線

圖9中的極化曲線所體現(xiàn)的，可以看到高海拔地區(qū)電堆平均電壓較低海拔地區(qū)電堆平均電壓會降低15～35 mV左右。

圖10 發(fā)電效率

在兼顧壓力、過量系數(shù)、以及系統(tǒng)整體發(fā)電效率的情況下得到圖10，發(fā)電模塊全功率段的運行效率，采用氫氣低熱值計算，同時輸出功率是除去了空壓機等輔機功耗的凈輸出功耗，從圖上看出高海拔工況下，模塊發(fā)電效率在48.9～62.4%，比低海拔工況下低3%～5%左右。

3 結(jié)論

高海拔地區(qū)空氣壓力低，主要影響燃料電池陰極側(cè)的過量系數(shù)、工作壓力，以及空壓機功耗等方面影響較大，本文對燃料電池進行陰極側(cè)壓力和過氧比的敏感性分析，對壓力變化及過氧比變化的影響權(quán)重進行了對比，通過將過量系數(shù)確定在2.1左右，保持工作表壓與低海拔地區(qū)一致，獲得了燃料電池48.9～62.4%的凈輸出效率，為裝置的環(huán)境通用性提供重要數(shù)據(jù)支撐。

[1] 苗宇航, 邢路, 程文君, 等. 空冷型PEMFC高海拔地區(qū)運行特性研究[J]. 電源技術(shù), 2021, 45(8): 1023-1026.

[2] 詹姆斯·拉米尼, 安德魯·迪克斯. 燃料電池系統(tǒng): 原理·設(shè)計·應(yīng)用[M]. 朱紅, 譯. 北京: 科學出版社, 2006.

[3] 陳駿. 車用燃料電池系統(tǒng)高海拔運行研究[J]. 上海汽車, 2017(2): 3-5.

[4] 秦敬玉, 毛宗強, 徐景明, 等. 過量空氣系數(shù)對燃料電池發(fā)動機輸出特性的影響[J]. 汽車工程, 2004, 26(4): 379-381, 385.

Study on the operation characteristics of PEMFC at high altitude

Hu Dan, Zhang Mengyuan, Zhang Wang

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

TM310

A

1003-4862（2023）11-0036-03

2022-11-28

胡旦（1988-），男，工程師，研究方向：燃料電池發(fā)電模塊控制技術(shù)。E-mail：hd_auto@163.com