質子交換膜燃料電池運行參數影響規律研究

紀少波，馬榮澤，趙同軍，李 洋，黃 海，張世強，程 勇

（山東大學 能源與動力工程學院，濟南250061，中國）

大力開發和利用清潔能源及可再生資源，是改善人類生活環境，提高人民生活質量以及促進經濟可持續發展的必由之路[1]。H2具有來源多樣、清潔低碳、靈活高效且應用場景豐富等優點，是全球最具發展潛力的清潔能源之一，被廣泛認為是未來最有發展潛力的二次能源[2]。以H2為燃料的質子交換膜燃料電池 （proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）具有能量轉換效率高、比功率高、清潔無污染等優點，適合應用于交通、便攜式動力源以及分布式發電領域[3]。目前，PEMFC的研究及應用是國內外新能源領域的研究熱點之一。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）是一個具有非線性、時變性、強耦合及滯后性的復雜動態系統，電堆以及外圍各子系統之間，互相獨立又互相影響，其動態特性涉及熱力學、流體力學及電化學等方面[4]。對PEMFC進行研究時，建模分析是一種直觀且快速的手段。PEMFC模型主要包括機理模型、經驗模型、等效電路模型以及智能模型等。機理模型根據熱力學、流體力學及電化學等基本理論對PEMFC內部的氣體、水及離子等的溫度、壓力及濃度等狀態進行分析，從空間維度上可分為一維、二維及三維模型[5]；經驗模型主要是利用統計學知識，基于測量的溫度、壓力、濕度及流量等運行參數，通過參數整定及曲線擬合得到反映PEMFC運行特性的模型[6]；等效電路模型則通過搭建電堆的等效電路，實現系統的電化學特性及輸出電壓特性等狀態的仿真分析[7]；智能模型通過神經網絡或支持向量機等算法搭建，用于進行系統參數的辨識及系統輸出特性的預測分析[8]。上述模型的側重點不同，適用于不同的應用場景，需要根據研究內容選擇合適的模型。

本研究結合機理模型及經驗模型的優點，搭建了一套PEMFC仿真模型，該模型在保證仿真精度的前提下，可以實現電堆輸出特性的快速仿真?；谠撃Ｐ脱芯苛朔€態工況下關鍵運行參數對PEMFC單體電池電壓的影響規律，分析結果可為PEMFC控制策略的制定提供理論指導，有助于進一步提升PEMFC的運行性能。

1 PEMFC仿真模型搭建及驗證

1.1 PEMFC仿真模型

質子交換膜燃料電池（PEMFC）的性能受到多種運行參數的影響，為了分析各關鍵運行參數對PEMFC性能的影響，基于MATLAB/Simulink平臺的Thermolib工具包搭建燃料電池的仿真模型?；谀Ｐ头治鰡我贿\行參數調節時，PEMFC的單體電壓變化趨勢，通過對比結果揭示關鍵運行參數對PEMFC性能的影響規律。以Ballard公司的Mark V型燃料電池為研究對象搭建仿真模型，它由35片232 cm2的單電池構成，采用Naf ion117質子交換膜，膜厚度為178μm。

搭建的PEMFC模型框圖如圖1所示，模型包括電堆模塊、陰極供氣系統模塊、陽極供氫系統模塊、冷卻循環系統模塊及控制系統模塊等部分。陰極供氣系統模塊包括空氣濾清器、空壓機、中冷器、空氣加濕器、空氣加熱器、背壓閥及相關的管路等部分。在模型中采用濕空氣模塊用于模擬濕空氣，空氣的成分設置為79% N2和21%的O2，陰極供氣系統模塊中可對空氣濕度、空氣溫度、空氣壓力以及空氣過量系數單獨設置。陽極供氫系統模塊包括H2罐、H2泄壓閥、H2比例閥、電動H2循環泵、背壓閥及相應管路等部分，在模型中可以設置H2的濕度。冷卻循環系統模塊包括散熱器、冷卻風扇、冷卻水泵、去離子裝置及相應管路等部分，在模型中可以對冷卻水的流量進行調整，對冷卻水的出堆溫度進行設置。

圖1 PEMFC燃料電池仿真模型框圖

1.2 模型驗證

文獻[9]采用Mark V燃料電池進行試驗，測試了電堆開路狀態及正常工作時的輸出電壓及溫度。按文獻中試驗條件設置仿真模型的運行參數，將模型計算結果與試驗結果進行對比。表2為電堆開路和輸出電流Iout= 20 A時，電堆輸出電壓Uout及溫度θ的對比結果。由結果可見，在2種工況下模型計算的輸出電壓最大誤差為4%，電堆溫度的最大誤差為1%，對比結果表明模型可以滿足燃料電池性能仿真的要求。

表1 模型計算結果與試驗結果對比

2 仿真結果及分析

2.1 電堆溫度對PEMFC輸出特性的影響

質子交換膜燃料電池（PEMFC）的電堆溫度多通過電堆出水溫度表征，在仿真計算中通過調節冷卻水的循環流量調節電堆出水溫度，仿真計算中空氣溫度θair= 50 ℃、空氣相對濕度φRH= 100%、pair= 140 kPa、空氣過量系數λair= 2，H2壓力pH2= 160 kPa、H2過量系數λH2= 2，在此條件下研究了不同電堆溫度對電堆性能的影響，對比結果如圖2所示。

溫度對電池性能的影響主要表現在影響氣體的擴散能力和膜的質子傳導。由圖2可知，當電堆溫度在55 ～ 65 ℃時，燃料電池的單體電池電壓隨著溫度的升高而升高。這是因為低溫時水大部分呈現小液滴[10]，氣態成分少，其飽和壓力小，此時膜電極出現水淹，使得O2很難從擴散層進入到催化層，影響電化學反應速度。當電堆溫度提高時，催化劑活性顯著提高，同時溫度提高使得膜內的水擴散系數與氣體擴散系數增大[11]，從而導致膜內傳質增加、膜電阻減小，輸出性能提高。當燃料電池溫度超過70 ℃時，隨著溫度的升高，燃料電池的單體電池電壓呈迅速降低的趨勢，在電堆溫度為75 ℃時，該現象更為明顯。這是因為當電堆的溫度過高時，質子交換膜上的水分容易揮發，導致質子交換膜濕度降低。膜濕度降低會使膜電阻提高，降低其對氫離子的傳遞效率，從而影響電堆的性能。燃料電池運行過程中需通過冷卻系統合理控制電堆溫度。

圖2 不同溫度下燃料電池單體電壓

2.2 空氣濕度對PEMFC輸出特性的影響

質子交換膜的濕度影響質子的傳遞速度，可以通過對空氣進行加濕的方式來提高質子交換膜的濕度。通過模型分析了空氣濕度在50 % ～100 %時，燃料電池輸出特性的變化規律。仿真計算中其他關鍵運行參數設置為：θair= 50 ℃、pair= 140 k Pa、λair= 2，pH2= 160 kPa、λH2= 2，電堆運行溫度θcell= 65 ℃。不同空氣相對濕度時PEMFC輸出特性對比結果如圖3所示。

圖3 不同空氣濕度下燃料電池單體電壓

由圖可知，電流相同時，隨著空氣濕度的增加，燃料電池的單體電池電壓呈增加的趨勢，在相對濕度為100%時達到最高值。質子交換膜需要水來維持其質子傳導性能，較高的空氣濕度可以使質子交換膜的水含量增加，提升膜的電導率，降低膜兩側的阻抗，加快膜內的氫離子傳遞速度，進而提高電化學反應速率，燃料電池輸出性能改善。且隨著輸出電流的增加，輸出性能改善越明顯，這是因為隨著電流密度的增大，化學反應產生的水分逐漸增多，堆內濕度逐漸升高，因此輸出性能越好。

2.3 空氣溫度對PEMFC輸出特性的影響

質子交換膜的濕度受到電堆溫度、進堆空氣中水含量以及反應過程中生成水的影響。保持空氣相對濕度不變時，提高空氣的溫度，空氣中實際含有的水蒸氣量也相應提高。為了探究空氣溫度對燃料電池的影響，將空氣溫度設定為30 ～ 70 ℃進行仿真計算。計算過程中其他關鍵運行參數設置為：φRH= 100%、pair= 140 k Pa、λair= 2，pH2= 160 k Pa、λH2= 2，θcell= 65 ℃、不同空氣溫度時PEMFC輸出特性對比結果如圖4所示。

由圖可知，進氣溫度在30 ～ 50 ℃時，燃料電池的性能隨著進氣溫度的增加而提高，當進氣溫度繼續增加時，燃料電池的性能反而下降。這是因為進氣溫度為30 ～ 50 ℃、空氣相對濕度為100%時，隨著進氣溫度的提高，進氣的絕對濕度在逐步增加。進堆空氣攜帶的水分增加，空氣進入電堆以后對質子交換膜進行加濕，燃料電池的性能改善，使得單體電池電壓增加。當空氣溫度提高到60 ℃以上時，空氣所攜帶的水含量較高；電堆運行時由于電化學反應也產生水，電堆內部出現水淹現象時，反而降低了燃料電池的性能。由此可見，在燃料電池運行時，當保持空氣相對濕度不變時，適當提高空氣溫度有利于增加進入燃料電池內部的水分，可以提高質子交換膜的濕度，改善燃料電池的性能；隨著空氣溫度進一步升高，進入電堆中的水分過多時，出現水淹問題，反而降低燃料電池性能。在燃料電池實際控制時，應結合空氣溫度及濕度，對進入電堆的水分進行合理控制以提高電堆性能。

圖4 不同空氣溫度下燃料電池單體電壓

2.4 氫氣壓力對PEMFC輸出特性的影響

質子交換膜燃料電池 (PEMFC)由多片單電池串聯而成，H2通過陽極流道進入各單電池進行電化學反應。H2經過各單體電池的陽極流道時會產生壓力損失。為了探明H2壓力對燃料電池輸出特性的影響，同時考慮到質子交換膜的安全，將空氣壓力設置為120 k Pa， H2的壓力設置為120 ～ 160 k Pa、進行仿真計算。計算中其他關鍵運行參數設置為：θair= 50 ℃、φRH= 100%、λair= 2、pair= 120 kPa，λH2= 2、θcell= 65 ℃，不同H2壓力下的對比結果如圖5所示。

仿真結果表明，在保持燃料電池陰極空氣壓力不變的前提下，提高陽極H2壓力有利于提高燃料電池的輸出性能。根據動力學理論，H2壓力的增加提高了催化層中H2的濃度，促進了H2在催化劑表面的吸附，加快了化學反應速率，進而促進了電化學反應的進行；同時，增加H2壓力能夠提高各單片電池的分壓壓力，減少活化極化造成的損失。由此可知，在保證質子交換膜安全使用的前提下，適當提高陽極的H2壓力，能夠改善燃料電池的性能。

2.5 空氣壓力對PEMFC輸出特性的影響

陰極空氣壓力能夠影響電堆性能，為了分析空氣壓力對燃料電池輸出特性的影響，將陽極的H2壓力設置為160 kPa，將陰極的空氣壓力設置為120 ～ 160 kPa進行仿真計算。計算中其他關鍵運行參數設置為：θair= 50 ℃、φRH= 100%、λair= 2，pair= 120 kPa 、λH2= 2，θcell= 65 ℃，計算結果如圖6所示。

圖5 不同氫氣壓力下燃料電池單體電壓

圖6 不同空氣壓力下燃料電池單體電壓

由圖可見，在保持燃料電池陽極H2壓力不變的前提下，提高陰極空氣壓力有利于提高燃料電池的輸出性能。空氣壓力的增加提高了反應物的濃度，加快反應氣體的擴散速度，進而促進空氣中的氧氣分子在催化層的吸附，提升化學反應速率。同時，隨著陰極空氣壓力的增大，陰極反應生成的水也能更好地排出電堆，使氧氣能夠更容易擴散至質子交換膜，進而提高電堆的性能?？傮w來講，提高空氣側的進氣壓力可以提高燃料電池的性能，但是同時也要考慮電堆密封性、空壓機系統的功率損耗等因素，對陰極空氣壓力進行合理控制。

2.6 空氣過量系數對PEMFC輸出特性的影響

H2過量系數對燃料電池性能的影響較小，相對而言，空氣過量系數對燃料電池的性能有較大影響[12]。為了探明空氣過量系數對燃料電池性能的影響，空氣過量系數λ設置為1.3 ～3.0進行仿真計算，其他關鍵運行參數設置為：θair= 50 ℃、φRH= 100%、pair= 140 kPa，pair= 140 kPa，λH2= 2，θcell= 65 ℃，計算結果如圖7所示。

由圖可知當λ= 1.3時，單體電池電壓被嚴重拉低，燃料電池出現了“氧饑餓”現象。當λ從1.3提升至1.5時，單電池電壓回歸至正常水平。當λ= 2時，單體電池電壓略有提升，這是因為PEMFC運行過程中，電池兩極特別是陰極的多孔介質中會有液態水生成，液態水的存在會減小多孔電極的孔隙率，增大氣體在擴散層中的傳導阻力；增大空氣流量，有利于排出電極中的液態水，提高孔隙率，增大擴散系數，進而提高電池的性能。當λ= 3時，燃料電池的性能無明顯改善，說明空氣流量對燃料電池性能影響是有一定限度的，達到最優狀態后，氣體流量繼續增加將不再會提高電池的性能，這是因為空氣流量的增加，使空氣在擴散孔隙表面滯留時間變短，降低擴散效率；同時加快的空氣流速會使流道中氣體分壓變低，使氣體在擴散層的擴散系數降低，上述影響因素導致電池性能無法繼續提升。過量空氣系數增加會導致空壓機消耗功率過大，降低系統整體效率，因此，應將燃料電池空氣過量系數控制在合理的范圍內。

圖7 不同過量空氣系數下燃料電池單體電壓

3 結 論

本研究搭建了質子交換膜燃料電池（PEMFC）的仿真模型，在穩態工況下研究了電堆溫度、空氣濕度、空氣溫度、H2壓力、空氣壓力及空氣過量系數等關鍵運行參數對電堆輸出特性的影響規律，分析結果可用于指導PEMFC控制策略的優化，獲得的主要結論如下:

1） 提高電堆溫度，能夠增加催化劑活性，改善膜內傳質特性，進而提高電堆性能；當電堆溫度過高時，由于質子交換膜濕度降低，使得膜電阻提高，氫離子傳遞效率降低，影響電堆性能。

2） 提高空氣濕度能夠增加質子交換膜的水含量，提升膜的電導率，進而加快電化學反應速率；在同樣的空氣相對濕度下，提高空氣溫度能夠增加空氣的含水量，當水量過多時，出現水淹問題時，反而降低電堆性能。

3） 適當增加H2及空氣壓力，能夠促進電化學反應的進行，且增加空氣壓力能夠加快陰極水分的排出，改善電堆性能；壓力的增加需要考慮質子交換膜的安全性及過大的空氣壓力造成的空壓機需求功率增加問題。

4） 空氣過量系數低于1.3時，燃料電池存在“氧饑餓”問題；當空氣過量系數超過2后，繼續增加過量空氣系數，燃料電池的性能改善不明顯，但空壓機消耗功率增加，因此，需要對過量空氣系數進行合理控制。

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