質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的最優(yōu)工作溫度研究

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，需要對整個系統(tǒng)的運行參數(shù)進行進一步的優(yōu)化。本文對50kW燃料電池系統(tǒng)進行活化，分別在在55℃、60℃、65℃、68℃、70℃運行溫度標定工況，根據(jù)不同溫度下運行工況后的電堆內(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;運行溫度;內(nèi)阻

中圖分類號：U467.4+1 ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ?文章編號：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行[1，2]，陽極側(cè)的電滲透作用導致陽極側(cè)濕度會降低，陽極的加濕策略是采用氫氣循環(huán)策略，陽極未完全反應(yīng)的氫氣會攜帶水蒸氣重新進入陽極，一方面提高氫氣利用率另一方面對陽極氣體進行增濕。陰極側(cè)反應(yīng)生成大量的水，需要及時排出。適當提高運行溫度可增加膜的電導率、交換電流密度、催化劑的活性且有利于氣體擴散，從而提高電池的性能[3]。但是過高的溫度和電流密度容易造成陽極側(cè)膜脫水，造成歐姆極化嚴重，同時高溫也會加速膜降解及蠕變、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行溫度控制在一定的范圍內(nèi)。如果溫度過低，將導致電堆的極化現(xiàn)象加劇[7]，輸出電壓降低，從而使電池性能惡化;如果溫度過高，將導致電堆內(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升高，造成稀釋反應(yīng)氣體的濃度，嚴重時直接造成電堆膜電極失水損壞[6]。因此對于燃料電池系統(tǒng)集成而言，急需一種快速標定燃料電池系統(tǒng)的最佳工作溫度的方法，依次來設(shè)定系統(tǒng)的運行溫度，達到溫度濕度的平衡，保證系統(tǒng)性能和延長使用壽命。

在研究燃料電池最優(yōu)工作溫度方面，多采用針對單片進行電化學分析的方式[8，9]，以確認最佳運行溫度，此方法費用低，可以得到豐富的電化學信息。但是，電堆組裝以及系統(tǒng)集成相對于單片電池結(jié)構(gòu)而言復雜程度呈數(shù)量級增加，因此單片電池的標定結(jié)果不能完全與燃料電池系統(tǒng)相符合，導致標定結(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)間運行時的電壓可以衡量電堆的擴散極化，因此可以通過不同運行溫度下電堆的內(nèi)阻以及中高功率區(qū)間輸出電壓來標定系統(tǒng)的最佳運行條件。本文建立了電堆內(nèi)阻法測定電堆膜電極的干濕狀態(tài)，輔助以運行電壓的分析，建立確定燃料電池系統(tǒng)最佳運行溫度的方法。

1 ? ?試驗方法

1.1 ? 樣品及測試設(shè)備

本試驗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。測試設(shè)備采用Greenlight FCTS-M-100測試系統(tǒng)，內(nèi)阻測試采用日本HIOKI-BT3564型電阻測試儀。測試系統(tǒng)原理見圖1，測試設(shè)備精度見表1。

1.2 ? 測試操作

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

2）對燃料電池系統(tǒng)進行氣密性測試，確認無泄漏;

3）高低壓電供電，調(diào)試控制通訊后，對燃料電池系統(tǒng)進行活化，活化電流電壓見圖2;

4）停機后，打開陽極供氫電磁閥，對陽極進行補充氫氣，保持電堆開路電壓檢測電堆內(nèi)阻;

5）內(nèi)阻測試結(jié)束后，打開陽極排氫閥，并按照正常停機進行吹掃處理;

6）對測試臺架冷卻系統(tǒng)進行運行溫度設(shè)定，預熱至設(shè)定溫度后對陽極進行通氫;

7） 按照溫度標定工況（圖3）進行開機自動運行標定工況，每次試驗測試3個循環(huán)，時長1小時，測試過程中記錄電堆的電流電壓及電堆出口的水溫;

8）運行結(jié)束并正常停機后，打開陽極供氫電磁閥，對陽極進行補充氫氣，保持電堆開路電壓檢測電堆內(nèi)阻;

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

2 ? ?結(jié)果與討論

2.1 ? 電堆活化

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

2.2 ? 最佳運行溫度標定分析

實驗中采用圖3標定工況，此工況中功率涵蓋10～40kW，并包含多次變載、降載過程，而非恒定功率下運行，更加真實模擬燃料電池系統(tǒng)車載運行狀態(tài)。由于質(zhì)子交換膜的使用溫度上限在75℃左右，因此選擇運行溫度區(qū)間為55～70℃。通過記錄不同溫度下在40kW固定功率下電堆的電壓及運行結(jié)束后電堆的內(nèi)阻，來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℃的測試結(jié)果可以看出，在40kW功率下時，系統(tǒng)的功率呈現(xiàn)波動狀態(tài)，而隨著溫度升高到65℃后波動得到緩解。這是因為在65℃以下電堆的催化劑活性不佳，加上運行至高功率后陰極產(chǎn)生的水較多，排水不及時，而陽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。隨著運行溫度提升催化劑活性提升，同時氫氣循環(huán)中液態(tài)水含量下降，功率波動得到緩解。

根據(jù)不同運行溫度下電堆的電壓及電堆內(nèi)阻（圖5）進行分析，隨著運行溫度升高40kW功率下電堆的電壓呈現(xiàn)先升高后略微降低的趨勢，而電堆內(nèi)阻為先緩慢增加，后快速增加的趨勢。這是由于隨著運行溫度的升高電堆的催化劑活性升高，電堆的電化學極化減弱，而隨著溫度的進一步升高，膜電極含水量減低，從而導致質(zhì)子交換膜質(zhì)子傳導率下降，從而降低了電化學反應(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，當溫度超過65℃時，膜電極失水嚴重，導致質(zhì)子傳導率下降，從而表現(xiàn)為內(nèi)阻突然增加。由此看出在溫度68℃時，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50kW質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)進行活化，在55℃、60℃、65℃、68℃、70℃ 5個運行溫度下運行溫度標定工況，分析不同運行溫度下電堆的內(nèi)阻及40kW功率下電堆的電壓。結(jié)果表明：隨著運行溫度的提升，電堆的電壓先逐步升高后下降趨勢，而電堆內(nèi)阻呈現(xiàn)先緩慢升高后明顯升高的趨勢。電堆冷卻出水溫度設(shè)置為68℃時，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，運行溫度的設(shè)定過程中即要保證輸出性能，同時也要考慮電堆的運行壽命?？梢詫㈦姸训膬?nèi)阻及輸出電壓作為運行溫度標定中考慮的重點要素，來實現(xiàn)電堆的高性能及長壽命。

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張曉鵬

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

專家推薦語

羅馬吉

武漢理工大學汽車工程學院

動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)不同溫度下運行溫度標定工況后的電堆內(nèi)阻及80%額定功率下電堆電壓來確定燃料電池系統(tǒng)的最佳運行溫度。論文工作具有重要的工程應(yīng)用價值。