燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)條件敏感性研究

馮強(qiáng)

摘要： 質(zhì)子交換膜燃料電池的性能受運(yùn)行條件參數(shù)影響較大，其中燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)包含零部件多，電堆性能受空氣路運(yùn)行條件的影響較大，空氣系統(tǒng)的標(biāo)定工作任務(wù)繁重;針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池性能特性受空氣路多參數(shù)影響大、標(biāo)定任務(wù)繁重的問(wèn)題，進(jìn)行燃料電池空氣系統(tǒng)的條件敏感性測(cè)試，研究燃料電池性能與空氣溫度、濕度、壓力、流量的變化關(guān)系，分析空氣路相關(guān)參數(shù)對(duì)燃料電池性能的影響機(jī)理。

Abstract： The performance of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） is greatly affected by the operating conditions. The engine air supply system is formed by plenty of parts， affecting the performance of stack significantly， meaning the calibration task of the air supply system is heavy and complex. To solve above problem， and to research on the influence of air temperature， humidity， pressure and flow rate on the stack performance， the condition sensitivity test of PEMFC air supply system was carried out， the influence mechanism of air supply system related parameters on fuel cell performance was raised up.

關(guān)鍵詞： 燃料電池;空氣供應(yīng)系統(tǒng);溫濕度;敏感性分析

Key words： fuel cell;air supply system;temperature and humidity;sensitivity analysis

中圖分類號(hào)：TM911.48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)：1674-957X（2021）17-0016-04

0? 引言

近年來(lái)，在全球能源轉(zhuǎn)型過(guò)程中，氫能作為清潔能源，普及范圍越來(lái)越廣[1];其中質(zhì)子交換膜燃料電池憑借高能量密度、高轉(zhuǎn)化效率、低運(yùn)行溫度以及低碳排放，被認(rèn)為是極具潛力的發(fā)展方向[2-3]。然而，相比于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)，質(zhì)子交換膜燃料電池在耐久性以及商業(yè)化程度還存在很大限

制[4-5]。當(dāng)燃料電池作為動(dòng)力源應(yīng)用于整車時(shí)，燃料電池面臨著動(dòng)態(tài)載荷變化、空氣雜質(zhì)及污染物、空氣溫濕度變化、低溫冷啟動(dòng)以及振動(dòng)沖擊等更為嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[6]。

燃料電池系統(tǒng)[7]主要包括空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等，其中空氣供應(yīng)系統(tǒng)給電堆提供一定溫濕度、壓力及流量的空氣[8]，在燃料電池系統(tǒng)中扮演著重要角色[9]。由于空氣供應(yīng)系統(tǒng)對(duì)電堆影響巨大[10]，本文進(jìn)行了燃料電池空氣供應(yīng)系統(tǒng)的條件敏感性試驗(yàn)，研究了空氣溫度、濕度、流量、壓力對(duì)燃料電池的影響關(guān)系，分析了其影響機(jī)理，為空氣供應(yīng)系統(tǒng)零部件選型以及參數(shù)標(biāo)定提供

參考。

1? 試驗(yàn)條件

1.1 試驗(yàn)燃料電池電堆

本文采用了蘇州弗爾賽能源科技股份有限公司提供的TP03石墨雙極板，利用螺桿方式裝配110片Gore M720膜電極電堆并進(jìn)行活化，電堆額定電流200A，額定電壓0.65V。TP03雙極板陰陽(yáng)極流道如圖1所示，陰極采用蛇形流道，陽(yáng)極采用波浪形流道。

1.2 試驗(yàn)方案

為探究電堆對(duì)空氣條件的敏感性，在完成電堆性能活化后，分別研究空氣流量（化學(xué)計(jì)量比）、空氣溫度、空氣壓力、空氣濕度對(duì)電堆性能的影響，各測(cè)試參數(shù)見(jiàn)表1。

2? 空氣化學(xué)計(jì)量比對(duì)電堆性能的影響

2.1 試驗(yàn)條件

控制氫氣與氧氣入口的相對(duì)壓力同為60kPa，氫氣不加濕，空氣加濕到80%，氫氣與空氣入口溫度同為55℃，氫氣化學(xué)計(jì)量比為1.5保持不變，調(diào)整空氣化學(xué)計(jì)量比分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，分析不同空氣化學(xué)計(jì)量比條件時(shí)電堆的整體性能特性。

2.2 空氣化學(xué)計(jì)量比敏感性分析

不同空氣化學(xué)計(jì)量比下電堆的壓降特性如圖2所示，由于陰極與陽(yáng)極流道的形狀與流量均不相同，故兩者表現(xiàn)出不同的壓降特性。不同工況下陰極的壓降如圖2（a）所示，可以看出在相同電流下，隨著空氣化學(xué)計(jì)量比的增大，阻降逐漸增大;在相同化學(xué)計(jì)量比下，隨著電流的增加，壓降亦逐漸增大。從整體趨勢(shì)看，陰極側(cè)的壓降隨著空氣流量的增加而逐漸增大。在200A時(shí)，空氣化學(xué)計(jì)量比為4.0時(shí)，空氣的流量為1466.8SLPM，陰極側(cè)的壓降達(dá)到最大17kPa。陽(yáng)極壓降如圖2（b）所示，相比于陰極側(cè)壓降，陽(yáng)極側(cè)的壓降呈相同的變化趨勢(shì)，但比陰極側(cè)小很多;陰極側(cè)的壓降偏大主要?dú)w因于：①陰極側(cè)采用蛇形流道;②陰極側(cè)的氣體流量更大。

空氣化學(xué)計(jì)量比對(duì)電堆性能的影響如圖3所示，由圖中可以看出，隨著空氣化學(xué)計(jì)量比的增加，燃料電池極板陰極流道尾端氧氣的濃度隨之提升，電堆的性能有明顯的提高。在電流≥60A，計(jì)量比≤2.5時(shí)，電堆性能的提升較為明顯;計(jì)量比≥2.5時(shí)，電堆的性能無(wú)明顯增益，基本相同，在正常的范圍內(nèi)波動(dòng)?？紤]到空氣路輔件的功耗問(wèn)題，可以認(rèn)為，在電流≥60A時(shí)，空氣化學(xué)計(jì)量比為2.5，電堆的綜合性能最佳，日常測(cè)試中可采用該計(jì)量比。在電流≤60A時(shí)，空氣化學(xué)計(jì)量比增大，電堆性能均有小幅度提升，考慮到在低電流下的輔件功耗，在小電流下可采用較低的計(jì)量比即可滿足性能要求。

3? 空氣溫度對(duì)電堆性能的影響

3.1 試驗(yàn)條件

控制氫氣與空氣入口的相對(duì)壓力同為60kPa，氫氣不加濕，空氣加濕到80%，氫氣計(jì)量比為1.5，空氣化學(xué)計(jì)量比為2.5，調(diào)節(jié)空氣溫度分別為50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，分別測(cè)試在110A和200A時(shí)的電堆性能，分析不同溫度下電堆的性能特性。

3.2 空氣溫度敏感性分析

110A時(shí)電堆性能隨溫度的變化關(guān)系如圖4（a）所示，200A時(shí)電堆性能隨溫度的變化關(guān)系如圖4（b）所示;在110A和200A時(shí)，隨著工作溫度的升高電堆的性能均先增加后降低，這是因?yàn)樘岣吖ぷ鳒囟瓤梢蕴嵘娀瘜W(xué)反應(yīng)活性，提高電堆性能，但提高工作溫度的同時(shí)，會(huì)降低在此工況下的開(kāi)路電壓，所以在提升工作溫度的情況下，電堆性能隨溫度提高呈現(xiàn)出先升高后降低的趨勢(shì)。通過(guò)溫度敏感性試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，在60℃時(shí)電堆的性能最佳，電堆適宜的工作溫度范圍為55℃～65℃。

4? 空氣濕度對(duì)電堆性能的影響

4.1 試驗(yàn)條件

控制氫氣、空氣的相對(duì)壓力同為60kPa，氫氣、空氣溫度為55℃，氫氣不加濕，氫氣計(jì)量比為1.5，空氣化學(xué)計(jì)量比為2.5，調(diào)節(jié)空氣濕度RH分別為20%、40%、60%、80%、100%，分別測(cè)試在110A和200A時(shí)的電堆性能，分析不同溫度下電堆的性能特性。

4.2 空氣濕度敏感性分析

不同濕度下電堆的性能如圖5所示，隨著濕度的增加，電堆的性能逐漸提升，且在200A時(shí)，提高濕度對(duì)電堆性能的提升效果更為明顯，這是由于提高進(jìn)氣濕度，可以提高膜電極表面的水合度，從而提高質(zhì)子膜的質(zhì)子傳輸能力，在空氣化學(xué)計(jì)量比合適時(shí)，可以顯著提升電堆性能，不發(fā)生水淹現(xiàn)象。通過(guò)空氣濕度敏感性試驗(yàn)，分析認(rèn)為空氣的適宜加濕范圍為：≥60%。

5? 空氣壓力對(duì)電堆性能的影響

5.1 試驗(yàn)條件

控制氫氣、空氣溫度為55℃，氫氣不加濕，空氣濕度80%，氫氣計(jì)量比為1.5，空氣化學(xué)計(jì)量比為2.5，調(diào)整空氣進(jìn)氣壓力從0kPa～120kPa，分別測(cè)試在110A和200A時(shí)的電堆性能，分析不同溫度下電堆的性能特性。考慮到低氣壓時(shí)，計(jì)量比為2.5時(shí)空氣量會(huì)不足，故增加測(cè)試3.5計(jì)量比時(shí)不同氣壓時(shí)電堆的性能。

5.2 空氣壓力敏感性分析

由圖6可以看出，隨著空氣壓力的增加，電堆性能逐漸提高，200A時(shí)改變空氣壓力對(duì)電堆性能有較大影響。同時(shí)，可以看出在110A，空氣計(jì)量比為2.5和3.5時(shí)電堆的性能差異不大;200A時(shí)，空氣計(jì)量比為3.5時(shí)的電堆性能明顯較優(yōu)。

6? 小結(jié)

本文通過(guò)對(duì)燃料電池空氣系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)敏感性試驗(yàn)得到如下結(jié)論：

①陰極和陽(yáng)極側(cè)的氣體壓力降均隨著氣體流量的增加而逐漸增大;②隨著空氣化學(xué)計(jì)量比的增大，電堆性能逐漸增加;空氣壓力為60kPa時(shí)，電堆在空氣化學(xué)計(jì)量比為2.5時(shí)達(dá)到較優(yōu)性能;③空氣溫度和空氣濕度對(duì)電堆的性能影響程度基本相同;電堆適宜的工作溫度范圍為55℃～65℃;電堆適宜的空氣濕度范圍為：≥60%。

參考文獻(xiàn)：

[1]符冠云，龔娟，趙吉詩(shī)，林漢辰.2020年國(guó)內(nèi)外氫能發(fā)展回顧與2021展望[J/OL].中國(guó)能源，2021（03）：45-48.

[2]Ogungbemi E， Wilberforce T， Ijaodola O S， et al. Review of operating condition， design parameters and material properties for proton exchange membrane fuel cells[J]. International Journal of Energy Research， 2020.

[3]李建秋，方川，徐梁飛.燃料電池汽車研究現(xiàn)狀及發(fā)展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報(bào)，2014，5（1）：17-29.

[4]謝曉荷.車用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆耐久性問(wèn)題研究綜述[J].時(shí)代汽車，2021（06）：154-155.

[5]彭祖雄，王曼莉，李劍錚，謝斌權(quán).乘車用燃料電池系統(tǒng)驗(yàn)證體系研究[J].汽車文摘，2021（05）：55-58.

[6]劉世闖，孫桓五，王瑞鑫，李昊，張東光.大功率型氫燃料電池重卡動(dòng)力系統(tǒng)匹配設(shè)計(jì)[J].汽車工程，2021，43（02）：196-203.

[7]隋建明.燃料電池空氣進(jìn)給系統(tǒng)建模與控制[D].哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2019.

[8]肖坤.燃料電池氣體供給系統(tǒng)控制研究[D].湖北：武漢理工大學(xué)，2013.

[9]張晨.燃料電池空氣供給系統(tǒng)控制及能量管理策略研究

[D].青島大學(xué)，2019.

[10] Zhao D， Xu L G. Semi-physical modeling and control of a centrifugal compressor for the air feeding of a PEM fuel cell[J]. Energy Conversion and Management， 2017（154）： 380-386.