中溫質子交換膜燃料電池系統設計與實驗

鄧金山，許思傳，常國峰，沈鵬遠

（同濟大學汽車學院，上海 201804）

溫度是質子交換膜燃料電池(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，在此溫度條件下運行的PEMFC在實際應用中存在一定的局限性，如電化學反應活性低、速度慢，催化劑易中毒，生成的液態水易造成水淹以及散熱負擔較重等。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，合理的系統設計，為PEMFC提供合適的工作條件，降低輔助系統功耗，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境下工作，結合系統角度分析有以下優勢：(1)提高電化學反應活性，加快反應速度，提高功率密度。提高溫度從電化學動力學方面得到的電壓增加遠大于熱力學方面可逆電壓的下降。(2)當PEMFC以中高溫條件運行時，生成的水有更多的部分以水蒸氣形態排出，可減少在流場內的液態水含量，減輕電極水淹程度，電池的性能更易保持穩定。(3)增加PEMFC工作溫度與環境溫度的溫差，減輕散熱負擔，提高余熱利用價值。(4)減輕催化劑中毒現象。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。從以上分析可看出，使PEMFC在更高的工作溫度下運行，可以提高PEMFC的性能穩定性，提高燃料的利用率，提高功率密度以及降低成本。這些能進一步促進PEMFC在汽車上的廣泛應用。

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

羅建曦等[4]設計了一套適用于PEMFC發動機臺架試驗的熱管理系統，分為高溫循環和低溫循環兩個部分，并在雙回路循環架構上采用自來水自動摻混補給和溫度自動調節技術。高溫循環中所帶走的燃料電池反應產生的廢熱通過換熱器傳遞給低溫循環，當低溫循環溫度較高時，在低溫循環中加入自來水補給。袁守利等[5]設計一套25 kW車用PEMFC發動機系統，根據計算所得的氫氣和空氣流量、空氣加濕量等結果，選擇合適的減壓閥、空壓機、加濕器。楊貴恒[6]針對500 W PEMFC供電系統提出硬件設計方案，設計一系列性能試驗測試各個參數，并對PEMFC供電系統的DC/DC電路進行設計，最后完成整個供電系統的集成。

為了測試中溫質子交換膜燃料電池系統的性能，本文基于某中溫PEMFC系統，對其進行了冷態、熱態啟動測試，階躍加載測試，穩態特性測試以及負壓環境下的性能測試。驗證系統是否達到設計要求，并提出了相應的改進措施。

1 中溫PEMFC系統設計

該中溫PEMFC系統的電堆由70片單電池組裝而成，單電池的活化面積為250 cm2，工作溫度能夠達到90℃。除了電堆外，還需要其他輔助系統提供合適的工作條件才能正常工作。這些輔助系統包括：空氣供應系統、氫氣供應系統、水熱管理系統以及電子電力系統等。該中溫PEMFC系統設計的要求是輔助系統能夠給電堆提供合適的工作環境，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出堆溫度。在實驗設備條件允許的前提下，進堆氫氣通過減壓閥調節至0.04 MPa后保持不變，空氣壓力需要增壓到0.14 MPa，化學當量比為2.8，入堆空氣的水蒸氣分壓≤50 kPa。系統總體圖如圖1所示，紅線為空氣的流通回路，紫線為冷卻水的循環回路，藍線為加濕水的循環回路，黑線為氫氣的流通回路。

圖1 中溫PEMFC系統示意圖

1.1 空氣供應系統

該中溫PEMFC空氣供應系統包括空氣濾清器、空氣壓縮機、背壓閥、壓力、溫度及濕度傳感器。空氣過濾器采用FS-10-100空氣過濾器，紙質媒介。壓縮機型號V1020，是一種容積式空氣壓縮機，無油潤滑，可靠性高，性能優良，噪聲較低，一般適用于3～10 kW的燃料電池系統，壓比最高可達2，滿足設計要求，最高轉速為3000 r/min。實驗前先確定燃料電池電堆所需要的空氣流量，確定壓縮比，然后根據壓縮機的特性曲線圖（如圖2所示），選擇合適的壓縮機轉速。

圖2 空氣壓縮機的性能曲線

1.2 氫氣供應系統

氫氣供氣系統包括高壓氫氣供應子系統、減壓閥、壓力表、進氣開關電磁閥、排氣開關電磁閥、手動閥、溫度和壓力傳感器。直接將反應過的氫氣排空，排氣電磁閥按一定周期排氫。將流場內積累的水分及雜質排走，避免這些物質積累過多而影響氫氣的反應。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

水熱管理系統包括膨脹水箱、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。該水熱管理系統主要作用是維持電堆工作溫度穩定，與空氣供應系統間的熱量交換以及為空氣和氫氣進行加濕。氫氣采用水-氣(water-to-gas)膜加濕器，空氣采用噴水加濕。

2 實驗結果分析

主要進行了該中溫PEMFC系統的冷態、熱態啟動特性測試，穩態特性測試以及該系統在模擬海拔1.5 km條件下的試驗測試。

2.1 冷態、熱態啟動測試

在進行該項測試時，設置電子負載電流10 A為怠速工況。冷態啟動時，PEMFC系統直接啟動（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的電流工況下持續運行10 min左右，實驗要求該冷態啟動時的時間指標不超過3 s才能合格；熱態啟動時，需要先讓燃料電池系統在一定工況下運行一段時間，使燃料電池的溫度上升至設定的35℃，然后卸載，重新啟動燃料電池系統，如圖3和圖4所示。

圖3 冷態啟動過程

圖4 冷態、熱態啟動特性測試的電壓變化曲線

由圖3看出冷態啟動時，在26.5 s的時候開始給系統提供電流負載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56.7 V，之后的時間內電壓基本恒定。該PEMFC系統的冷態啟動為1.5 s，而電堆的冷態啟動時間的指標要求為≤3 s，因此該系統的冷態啟動時間符合要求。

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

圖5是冷態、熱態啟動后階躍加載時的極化曲線的對比。在階躍加載實驗中，每次加載遞增20 A，直到140 A，每個工況運行約5 min。可以看出熱態啟動后的PEMFC的電壓和功率相對冷態啟動后要高些，但是兩者極化曲線很接近。剛啟動時兩者溫度相差8℃，但進行階躍加載時電堆已經過一定時間的運行，即使是冷態啟動，電堆的溫度在持續工作過程中也有了迅速回升。而熱態啟動后的階躍加載過程，在低電流負載時水溫上升緩慢，于是在進行階躍加載實驗時二者的工作溫度相差不大，這也導致了熱態啟動后階躍加載時的電壓輸出與冷態啟動時很接近。

2.2 不同工況下的系統穩態特性測試

圖6是不同負載下的穩態特性測試曲線，每個工況下持續運行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 不同工況下的穩態特性測試曲線

從圖6可以看出，在一定的溫度范圍內，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工作，工作溫度進一步上升，燃料電池的輸出電壓出現下降。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時的穩態特性測試曲線可以看出。只有單個風扇散熱時，冷卻水出堆溫度緩慢增加至70℃，此時燃料電池系統的電壓從41.7 V降到40.8 V。隨著另一個風扇的打開，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上升，當達到一定溫度后，燃料電池系統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，當超過該范圍，膜便會發生失水問題，從而導致性能下降。(2)高電流負載時，燃料電池電堆內部生成的廢熱量大，導致冷卻水出堆溫度高，通過加濕器內部的換熱器對進堆空氣進行加熱，空氣溫度也得到更大的提高。(3)長時間持續工作后，特別是高電流負載時，生成的水越多，電堆內部越容易積累大量水，而且由于高負荷下消耗的反應氣體更多，使得利用排氣來帶走流道內液態水的作用減弱，有可能導致更為嚴重的水淹現象，影響燃料電池化學反應的進行。

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良好的散熱，精確控制燃料電池在合適的溫度范圍內工作；另一方面嚴格控制氣體濕度。另外也可以通過改進電池流場結構，使流道內的水分更容易排走。

2.3 負壓條件下的系統測試

設置環境倉提供壓力0.085 MPa，環境溫度25℃和環境濕度的空氣。

從圖7可知在負壓條件下，該質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。當空氣壓縮機在非標準狀態下工作時，根據相似理論，如果轉速和壓比不變，而降低進氣的壓力，那么將導致空氣流量的降低，從而導致該燃料電池電壓降低。在中高電流負載下運行時，常壓和負壓條件的功率差別更加明顯，這將導致該PEMFC系統在高海拔地區工作時輸出功率不足。

圖7 負壓與常壓時的電壓和功率曲線對比

3 結論

綜上所述，該中溫PEMFC系統的冷態啟動為1.5 s，而電堆的冷態啟動時間的指標要求為≤3 s，該系統符合冷態啟動的時間要求。該中溫燃料電池系統在長時間持續運行時能夠保持較好的穩定性；在一定溫度范圍內，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定，首先要保證燃料電池系統良好的散熱，精確控制燃料電池的工作溫度；另一方面嚴格控制反應氣體濕度。此外改進電堆內部流場結構也能優化電池性能。實驗結果還表明該系統在高海拔地區的適應性有待進一步提高。

[1]梁洪浩，許思傳，常國鋒.高溫質子交換膜燃料電池研究進展[J].電源技術，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，張揚軍，涂尚榮.車用燃料電池發動機試驗臺熱管理系統設計[J].車用發動機，2003，8(4)：32-33，38.

[5]袁守利，杜傳進，顏伏伍，等.25 kW車用燃料電池發動機系統的設計[J].能源技術，2004，25(5)：200-202.

[6]楊貴恒.質子交換膜燃料電池性能試驗及其系統設計[D].成都：四川大學，2005.