中溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)

鄧金山，許思傳，常國峰，沈鵬遠(yuǎn)

（同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804）

溫度是質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)正常工作的重要條件之一。目前，PEMFC的操作溫度通常在80℃以下，在此溫度條件下運(yùn)行的PEMFC在實(shí)際應(yīng)用中存在一定的局限性，如電化學(xué)反應(yīng)活性低、速度慢，催化劑易中毒，生成的液態(tài)水易造成水淹以及散熱負(fù)擔(dān)較重等。研究表明，隨著工作溫度的增加，燃料電池的性能會顯著提高。因此，提高PEMFC的工作溫度是提高其動力性能的一種可行方法[1-3]。另外，合理的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，為PEMFC提供合適的工作條件，降低輔助系統(tǒng)功耗，也是提高PEMFC性能和降低成本的重要手段。

相對于低溫PEMFC，提高PEMFC的工作溫度，使其在中溫乃至高溫環(huán)境下工作，結(jié)合系統(tǒng)角度分析有以下優(yōu)勢：(1)提高電化學(xué)反應(yīng)活性，加快反應(yīng)速度，提高功率密度。提高溫度從電化學(xué)動力學(xué)方面得到的電壓增加遠(yuǎn)大于熱力學(xué)方面可逆電壓的下降。(2)當(dāng)PEMFC以中高溫條件運(yùn)行時，生成的水有更多的部分以水蒸氣形態(tài)排出，可減少在流場內(nèi)的液態(tài)水含量，減輕電極水淹程度，電池的性能更易保持穩(wěn)定。(3)增加PEMFC工作溫度與環(huán)境溫度的溫差，減輕散熱負(fù)擔(dān)，提高余熱利用價(jià)值。(4)減輕催化劑中毒現(xiàn)象。以烴或醇類的重整獲得的富氫氣體中含有一定濃度的CO，提高溫度能夠減輕CO對催化劑的吸附效應(yīng)。從以上分析可看出，使PEMFC在更高的工作溫度下運(yùn)行，可以提高PEMFC的性能穩(wěn)定性，提高燃料的利用率，提高功率密度以及降低成本。這些能進(jìn)一步促進(jìn)PEMFC在汽車上的廣泛應(yīng)用。

目前對于中高溫PEMFC的研究集中于PEMFC各個部件（如質(zhì)子交換膜、催化劑等）的研究，而對于從整個燃料電池系統(tǒng)考慮系統(tǒng)性能方面的研究相對缺乏。

羅建曦等[4]設(shè)計(jì)了一套適用于PEMFC發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)的熱管理系統(tǒng)，分為高溫循環(huán)和低溫循環(huán)兩個部分，并在雙回路循環(huán)架構(gòu)上采用自來水自動摻混補(bǔ)給和溫度自動調(diào)節(jié)技術(shù)。高溫循環(huán)中所帶走的燃料電池反應(yīng)產(chǎn)生的廢熱通過換熱器傳遞給低溫循環(huán)，當(dāng)?shù)蜏匮h(huán)溫度較高時，在低溫循環(huán)中加入自來水補(bǔ)給。袁守利等[5]設(shè)計(jì)一套25 kW車用PEMFC發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，根據(jù)計(jì)算所得的氫氣和空氣流量、空氣加濕量等結(jié)果，選擇合適的減壓閥、空壓機(jī)、加濕器。楊貴恒[6]針對500 W PEMFC供電系統(tǒng)提出硬件設(shè)計(jì)方案，設(shè)計(jì)一系列性能試驗(yàn)測試各個參數(shù)，并對PEMFC供電系統(tǒng)的DC/DC電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，最后完成整個供電系統(tǒng)的集成。

為了測試中溫質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的性能，本文基于某中溫PEMFC系統(tǒng)，對其進(jìn)行了冷態(tài)、熱態(tài)啟動測試，階躍加載測試，穩(wěn)態(tài)特性測試以及負(fù)壓環(huán)境下的性能測試。驗(yàn)證系統(tǒng)是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求，并提出了相應(yīng)的改進(jìn)措施。

1 中溫PEMFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)

該中溫PEMFC系統(tǒng)的電堆由70片單電池組裝而成，單電池的活化面積為250 cm2，工作溫度能夠達(dá)到90℃。除了電堆外，還需要其他輔助系統(tǒng)提供合適的工作條件才能正常工作。這些輔助系統(tǒng)包括：空氣供應(yīng)系統(tǒng)、氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)以及電子電力系統(tǒng)等。該中溫PEMFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求是輔助系統(tǒng)能夠給電堆提供合適的工作環(huán)境，包括空氣、氫氣的流量、壓力、溫度、相對濕度以及冷卻水的流量和進(jìn)出堆溫度。在實(shí)驗(yàn)設(shè)備條件允許的前提下，進(jìn)堆氫氣通過減壓閥調(diào)節(jié)至0.04 MPa后保持不變，空氣壓力需要增壓到0.14 MPa，化學(xué)當(dāng)量比為2.8，入堆空氣的水蒸氣分壓≤50 kPa。系統(tǒng)總體圖如圖1所示，紅線為空氣的流通回路，紫線為冷卻水的循環(huán)回路，藍(lán)線為加濕水的循環(huán)回路，黑線為氫氣的流通回路。

圖1 中溫PEMFC系統(tǒng)示意圖

1.1 空氣供應(yīng)系統(tǒng)

該中溫PEMFC空氣供應(yīng)系統(tǒng)包括空氣濾清器、空氣壓縮機(jī)、背壓閥、壓力、溫度及濕度傳感器?？諝膺^濾器采用FS-10-100空氣過濾器，紙質(zhì)媒介。壓縮機(jī)型號V1020，是一種容積式空氣壓縮機(jī)，無油潤滑，可靠性高，性能優(yōu)良，噪聲較低，一般適用于3～10 kW的燃料電池系統(tǒng)，壓比最高可達(dá)2，滿足設(shè)計(jì)要求，最高轉(zhuǎn)速為3000 r/min。實(shí)驗(yàn)前先確定燃料電池電堆所需要的空氣流量，確定壓縮比，然后根據(jù)壓縮機(jī)的特性曲線圖（如圖2所示），選擇合適的壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速。

圖2 空氣壓縮機(jī)的性能曲線

1.2 氫氣供應(yīng)系統(tǒng)

氫氣供氣系統(tǒng)包括高壓氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)、減壓閥、壓力表、進(jìn)氣開關(guān)電磁閥、排氣開關(guān)電磁閥、手動閥、溫度和壓力傳感器。直接將反應(yīng)過的氫氣排空，排氣電磁閥按一定周期排氫。將流場內(nèi)積累的水分及雜質(zhì)排走，避免這些物質(zhì)積累過多而影響氫氣的反應(yīng)。一般來說，電堆的工作電流越大，排氫周期越小。

1.3 水熱管理系統(tǒng)

水熱管理系統(tǒng)包括膨脹水箱、水泵、噴水加濕器及其水箱、散熱器、冷凝器、膜加濕器及其水箱。該水熱管理系統(tǒng)主要作用是維持電堆工作溫度穩(wěn)定，與空氣供應(yīng)系統(tǒng)間的熱量交換以及為空氣和氫氣進(jìn)行加濕。氫氣采用水-氣(water-to-gas)膜加濕器，空氣采用噴水加濕。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

主要進(jìn)行了該中溫PEMFC系統(tǒng)的冷態(tài)、熱態(tài)啟動特性測試，穩(wěn)態(tài)特性測試以及該系統(tǒng)在模擬海拔1.5 km條件下的試驗(yàn)測試。

2.1 冷態(tài)、熱態(tài)啟動測試

在進(jìn)行該項(xiàng)測試時，設(shè)置電子負(fù)載電流10 A為怠速工況。冷態(tài)啟動時，PEMFC系統(tǒng)直接啟動（燃料電池開始工作的溫度為常溫26℃），然后加載到10 A，在10 A的電流工況下持續(xù)運(yùn)行10 min左右，實(shí)驗(yàn)要求該冷態(tài)啟動時的時間指標(biāo)不超過3 s才能合格；熱態(tài)啟動時，需要先讓燃料電池系統(tǒng)在一定工況下運(yùn)行一段時間，使燃料電池的溫度上升至設(shè)定的35℃，然后卸載，重新啟動燃料電池系統(tǒng)，如圖3和圖4所示。

圖3 冷態(tài)啟動過程

圖4 冷態(tài)、熱態(tài)啟動特性測試的電壓變化曲線

由圖3看出冷態(tài)啟動時，在26.5 s的時候開始給系統(tǒng)提供電流負(fù)載10 A，此時電堆電壓從開路電壓64.5 V開始下降，在28.0 s的時候電壓到達(dá)56.7 V，之后的時間內(nèi)電壓基本恒定。該P(yáng)EMFC系統(tǒng)的冷態(tài)啟動為1.5 s，而電堆的冷態(tài)啟動時間的指標(biāo)要求為≤3 s，因此該系統(tǒng)的冷態(tài)啟動時間符合要求。

從圖4可看出，冷態(tài)啟動后在電流負(fù)載為10 A運(yùn)行時，燃料電池輸出電壓為56.7 V，而熱態(tài)啟動后的電壓大約為57.2 V。熱態(tài)啟動時的電池溫度較冷態(tài)啟動時要高，所以其電壓輸出也較冷態(tài)啟動時要高。無論冷態(tài)啟動還是熱態(tài)啟動，該中溫PEMFC系統(tǒng)的電壓輸出都能很快達(dá)到穩(wěn)定值，且在10 min的持續(xù)運(yùn)行過程中，該電壓輸出只有略微的下降，仍可以保持較好的穩(wěn)定。剛開始出現(xiàn)的電壓波動是由于剛開始啟動，流道內(nèi)的反應(yīng)氣體分布不均勻，而隨著運(yùn)行時間的增加，該效應(yīng)逐漸減弱，電堆電壓也隨之逐步恒定。后面出現(xiàn)的波動，是由電堆內(nèi)部的生成水在流道積累引起的，當(dāng)積累到一定程度時液態(tài)水會被排氣所帶走，導(dǎo)致電壓周期性的波動。

圖5是冷態(tài)、熱態(tài)啟動后階躍加載時的極化曲線的對比。在階躍加載實(shí)驗(yàn)中，每次加載遞增20 A，直到140 A，每個工況運(yùn)行約5 min?？梢钥闯鰺釕B(tài)啟動后的PEMFC的電壓和功率相對冷態(tài)啟動后要高些，但是兩者極化曲線很接近。剛啟動時兩者溫度相差8℃，但進(jìn)行階躍加載時電堆已經(jīng)過一定時間的運(yùn)行，即使是冷態(tài)啟動，電堆的溫度在持續(xù)工作過程中也有了迅速回升。而熱態(tài)啟動后的階躍加載過程，在低電流負(fù)載時水溫上升緩慢，于是在進(jìn)行階躍加載實(shí)驗(yàn)時二者的工作溫度相差不大，這也導(dǎo)致了熱態(tài)啟動后階躍加載時的電壓輸出與冷態(tài)啟動時很接近。

2.2 不同工況下的系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)特性測試

圖6是不同負(fù)載下的穩(wěn)態(tài)特性測試曲線，每個工況下持續(xù)運(yùn)行30 min，記錄各工況下電壓和冷卻水出堆溫度隨時間的變化情況。

圖6 不同工況下的穩(wěn)態(tài)特性測試曲線

從圖6可以看出，在一定的溫度范圍內(nèi)，燃料電池的輸出電壓隨著工作溫度的上升而升高。但隨著燃料電池的持續(xù)工作，工作溫度進(jìn)一步上升，燃料電池的輸出電壓出現(xiàn)下降。長時間工作后的PEMFC性能下降的原因有：(1)PEMFC工作溫度過高。從100 A時的穩(wěn)態(tài)特性測試曲線可以看出。只有單個風(fēng)扇散熱時，冷卻水出堆溫度緩慢增加至70℃，此時燃料電池系統(tǒng)的電壓從41.7 V降到40.8 V。隨著另一個風(fēng)扇的打開，水溫開始下降，電堆的電壓輸出明顯上升。這說明燃料電池系統(tǒng)長時間工作后，如果散熱控制不良，電堆的工作溫度便會持續(xù)上升，當(dāng)達(dá)到一定溫度后，燃料電池系統(tǒng)的輸出電壓會開始下降。這是由于不同的膜材料都有適合的工作溫度范圍，當(dāng)超過該范圍，膜便會發(fā)生失水問題，從而導(dǎo)致性能下降。(2)高電流負(fù)載時，燃料電池電堆內(nèi)部生成的廢熱量大，導(dǎo)致冷卻水出堆溫度高，通過加濕器內(nèi)部的換熱器對進(jìn)堆空氣進(jìn)行加熱，空氣溫度也得到更大的提高。(3)長時間持續(xù)工作后，特別是高電流負(fù)載時，生成的水越多，電堆內(nèi)部越容易積累大量水，而且由于高負(fù)荷下消耗的反應(yīng)氣體更多，使得利用排氣來帶走流道內(nèi)液態(tài)水的作用減弱，有可能導(dǎo)致更為嚴(yán)重的水淹現(xiàn)象，影響燃料電池化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。

從以上分析可知，使燃料電池的性能輸出保持良好，一方面要保證燃料電池系統(tǒng)良好的散熱，精確控制燃料電池在合適的溫度范圍內(nèi)工作；另一方面嚴(yán)格控制氣體濕度。另外也可以通過改進(jìn)電池流場結(jié)構(gòu)，使流道內(nèi)的水分更容易排走。

2.3 負(fù)壓條件下的系統(tǒng)測試

設(shè)置環(huán)境倉提供壓力0.085 MPa，環(huán)境溫度25℃和環(huán)境濕度的空氣。

從圖7可知在負(fù)壓條件下，該質(zhì)子交換膜燃料電池的性能對比常壓下有很大的下降，電壓值平均要低2 V左右。當(dāng)空氣壓縮機(jī)在非標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下工作時，根據(jù)相似理論，如果轉(zhuǎn)速和壓比不變，而降低進(jìn)氣的壓力，那么將導(dǎo)致空氣流量的降低，從而導(dǎo)致該燃料電池電壓降低。在中高電流負(fù)載下運(yùn)行時，常壓和負(fù)壓條件的功率差別更加明顯，這將導(dǎo)致該P(yáng)EMFC系統(tǒng)在高海拔地區(qū)工作時輸出功率不足。

圖7 負(fù)壓與常壓時的電壓和功率曲線對比

3 結(jié)論

綜上所述，該中溫PEMFC系統(tǒng)的冷態(tài)啟動為1.5 s，而電堆的冷態(tài)啟動時間的指標(biāo)要求為≤3 s，該系統(tǒng)符合冷態(tài)啟動的時間要求。該中溫燃料電池系統(tǒng)在長時間持續(xù)運(yùn)行時能夠保持較好的穩(wěn)定性；在一定溫度范圍內(nèi)，燃料電池的性能能夠隨著工作溫度的上升而提高。要使燃料電池的性能輸出保持穩(wěn)定，首先要保證燃料電池系統(tǒng)良好的散熱，精確控制燃料電池的工作溫度；另一方面嚴(yán)格控制反應(yīng)氣體濕度。此外改進(jìn)電堆內(nèi)部流場結(jié)構(gòu)也能優(yōu)化電池性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果還表明該系統(tǒng)在高海拔地區(qū)的適應(yīng)性有待進(jìn)一步提高。

[1]梁洪浩，許思傳，常國鋒.高溫質(zhì)子交換膜燃料電池研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2012，36(2)：279-281.

[2]JENS O J,LI Q F,PAN C,et a1.High temperature PEMFC and the possible utilization of the excess heat for fuel processing[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32:1567-1571.

[3]ZHANG J L,XIE Z,ZHANG J J,et al.High temperature PEM fuel cells[J].J Power Source,2006,160:872-891.

[4]羅建曦，張揚(yáng)軍，涂尚榮.車用燃料電池發(fā)動機(jī)試驗(yàn)臺熱管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].車用發(fā)動機(jī)，2003，8(4)：32-33，38.

[5]袁守利，杜傳進(jìn)，顏伏伍，等.25 kW車用燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].能源技術(shù)，2004，25(5)：200-202.

[6]楊貴恒.質(zhì)子交換膜燃料電池性能試驗(yàn)及其系統(tǒng)設(shè)計(jì)[D].成都：四川大學(xué)，2005.