質子交換膜燃料電池系統陽極尾排策略研究＊

丁新立

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

1 前言

氫燃料電池工作原理是在催化劑的作用下，將氫氣和氧氣的化學能轉化為電能的能量轉換裝置[1,2]，且反應產物只有水。它具有清潔、高效、工作溫度低等突出特點。且反應過程不受卡諾循環限制，能量轉換效率高，使得其在未來可能代替其他熱機的新型能量轉換裝置[3]。1993年巴拉德公司第一臺燃料電池車問世；2014年豐田“Mirai”問世，推動了燃料電池車的發展進度[4]。燃料電池車與純電動車相比，具有能量密度高、燃料補充時間短、續航里程長等優勢。由于其突出的優點，備受各國政府和企業的重視，被認為是二十一世紀清潔能源的首選[5]。

在催化劑作用下，氫氣在陽極被電化學氧化生成質子，質子通過膜傳導到陰極，在陰極氧氣被電化學還原生成水[6]。而陰極側生成的水以及空氣中的氮氣，在高溫高壓等條件作用下會擴散到陽極。長時間的氮氣和水汽積累，會影響電堆性能，因此定期排出水和氮氣是至關重要的。脈沖排放模式利用陽極出口的電磁閥進行周期排放，能夠有效排出反應物，穩定電池性能[7,8]。本文根據電堆的特性以及試驗，給出了陽極脈沖式尾排策略的優化方向，可有效排出陽極水分和氮氣，使電堆性能長時間得以維持，同時提高氫氣利用率。

2 工作原理及陽極結構

2.1 工作原理

質子交換膜燃料電池是一種將燃料與氧氣通過電化學反應直接轉換成電能的發電裝置。

其中，氫燃料電池的工作原理如下：

（1）氫氣在陽極催化劑的作用下分解成質子和電子。

陽極反應式：

（2）質子穿過電解質膜，在陰極氧與氫離子反應生成水，而電子則通過外電路形成電流。

陰極反應式：

總反應：

圖1為常見的質子交換膜燃料電池單池原理結構[9]。

圖1 質子交換膜燃料電池原理結構圖

由上述原理以及下述陽極系統結構可知，在燃料電池工作過程中會產生大量的水汽。由于質子交換膜的特性以及高壓和高溫的工作環境，會有氮氣和水汽從陰極滲透到陽極，并且在陽極會不斷積累。為使燃料電池長時間高性能的穩定工作必須將該部分氮氣和水分及時排出[7,8]。

2.2 陽極系統

圖2 陽極回路結構圖

為了有效地排出陽極路的氮氣和液態水，必須具有一個合理的系統結構。車用質子交換膜燃料電池發動機系統的陽極回路中，一般包括供氫總成、水汽分離器、尾排閥、氫入/出壓力傳感器等。其中尾排閥一般安裝在水汽分離器的最低端，這樣可以更加方便有效地將液態水和雜質排出。

具體陽極回路系統結構如圖2。

3 尾排策略

在文獻中[4,7]對陽極水的滲透率做了詳細的分析，不僅與膜電極的材料、操作溫度和壓力等因素也有關，并且還會隨著電流密度的增加而增加。尾排閥的開啟不僅與水的產生量有關，而且還與陽極其他雜質氣體比如氮氣有關。另外，當燃料電池開始工作時溫度較低，氣態水易液態化。在整車應用上一般采用脈沖式尾排策略[10,11]，具體工作流程如下：

圖3 尾排控制流程

該策略主要思路為：根據燃料電池產水量以及滲透到陽極的水汽量，通過試驗標定的方法確定尾排閥的頻率。在低溫條件下，汽態水容易液化，根據電堆冷卻液出水口溫度對尾排頻率進行補償。尾排的開啟時長除了根據產水量確定，還根據尾排閥的特性決定，要求在排出水和氮氣的同時要盡可能少地排出氫氣，以確保系統的安全性和氫氣利用率。

4 試驗

本文設計了三組試驗：

（1）固定PEMFC的電流密度和尾排頻率，測試尾排閥不同的開啟時長尾氣氫濃度的值。為了試驗的安全，在較低電流密度（200mA/cm2）下進行試驗，測試不同尾排閥的開啟時長，記錄尾排開啟瞬間氫濃度最大值。

具體試驗結果如下圖：

圖4 尾排閥開啟時長與尾氣瞬間最大氫濃度關系曲線圖

從上圖可以看出，隨著尾排閥開啟時間的增加，尾氣氫濃度瞬間最大值也在增加。為了排出電堆內的氮氣，必須要有氫氣排出才能帶出雜質氣體。所以尾排閥開啟時長關系到氫氣的利用率和雜質排出的效果。尾排閥的開啟時長必須要做一個取舍，即又要保證雜質氣體的排出又要保證氫氣盡可能少地排出，以提高氫氣利用率和整車安全性。

（2）固定相同電密下的尾排閥開啟時長，調整尾排閥開啟的頻率。每個功率時間段統計300s，用來計算氫氣的消耗量和氫氣的利用率。其中試驗1為低排氫頻率，試驗2為高排氫頻率。

圖5 不同排氫頻率下的氫耗曲線

圖6 不同尾排頻率下的氫氣利用率

圖7 不同排氫頻率下氫耗與氫氣利用率變化曲線

實驗結果可以看出，相同功率下尾排頻率增加時，氫氣消耗量增加，氫氣利用率降低，尤其是在低電密下，這種表現最為明顯。試驗2的氫耗比實驗1的氫耗最大高11.9%，氫氣利用率最大低了 13.3%。所以尾排頻率直接影響到氫氣的利用率，需要合理地設定排氫頻率。

（3）關閉尾排閥，讓PEMFC在600mA/cm2的電流密度下長時間工作，試驗結果如下圖。

圖8 尾排閥長關PEMFC電壓變化曲線

在該電流密度下，PEMFC在開始過程可以正常地運行，當運行一段時間后其整體電壓開始下降，其中，單體最低電壓下降得最為明顯。直到單體電壓觸發系統保護閾值。從實驗結果可以看出，如果長時間不進行尾氣排放，PEMFC將無法穩定地工作。為了使PEMFC正常運行，必須要對陽極內的雜質定期排出。

圖9 實車用數據

分析：（1）不能單純地為了提高氫氣利用率和整車安全性而不進行尾氣排放；（2）隨著系統功率的增加，尾排頻率也要增加；（3）尾排閥開啟時長既要確保把水和氮氣排出，也要盡可能降低尾排的濃度。

最后通過試驗，得到一組尾排頻率，尾排閥開啟占空比，該處開啟占空比是尾排開啟時長與尾排間隔的比值，以及尾排頻率補償量。該組數據可使PEMFC長時間正常穩定的運行，已在整車上穩定運行60000km以上。

5 結論

質子交換膜燃料電池是一種清潔高效的發電裝置，具有廣泛的應用前景。而陽極尾排閥的控制直接影響到電池的性能和壽命。本文給出的尾排頻率和開啟占空比具有一定的合理性，該策略不僅能夠保持電池的性能，而且在一定程度上可以增加整車的續航里程，同時又減少尾氣中氫氣的濃度，提高了安全性。