燃料電池空氣供應系統條件敏感性研究

馮強

摘要： 質子交換膜燃料電池的性能受運行條件參數影響較大，其中燃料電池發動機空氣系統包含零部件多，電堆性能受空氣路運行條件的影響較大，空氣系統的標定工作任務繁重;針對質子交換膜燃料電池性能特性受空氣路多參數影響大、標定任務繁重的問題，進行燃料電池空氣系統的條件敏感性測試，研究燃料電池性能與空氣溫度、濕度、壓力、流量的變化關系，分析空氣路相關參數對燃料電池性能的影響機理。

Abstract： The performance of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） is greatly affected by the operating conditions. The engine air supply system is formed by plenty of parts， affecting the performance of stack significantly， meaning the calibration task of the air supply system is heavy and complex. To solve above problem， and to research on the influence of air temperature， humidity， pressure and flow rate on the stack performance， the condition sensitivity test of PEMFC air supply system was carried out， the influence mechanism of air supply system related parameters on fuel cell performance was raised up.

關鍵詞： 燃料電池;空氣供應系統;溫濕度;敏感性分析

Key words： fuel cell;air supply system;temperature and humidity;sensitivity analysis

中圖分類號：TM911.48? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）17-0016-04

0? 引言

近年來，在全球能源轉型過程中，氫能作為清潔能源，普及范圍越來越廣[1];其中質子交換膜燃料電池憑借高能量密度、高轉化效率、低運行溫度以及低碳排放，被認為是極具潛力的發展方向[2-3]。然而，相比于傳統內燃機，質子交換膜燃料電池在耐久性以及商業化程度還存在很大限

制[4-5]。當燃料電池作為動力源應用于整車時，燃料電池面臨著動態載荷變化、空氣雜質及污染物、空氣溫濕度變化、低溫冷啟動以及振動沖擊等更為嚴峻的挑戰[6]。

燃料電池系統[7]主要包括空氣供應系統、氫氣供應系統、冷卻系統等，其中空氣供應系統給電堆提供一定溫濕度、壓力及流量的空氣[8]，在燃料電池系統中扮演著重要角色[9]。由于空氣供應系統對電堆影響巨大[10]，本文進行了燃料電池空氣供應系統的條件敏感性試驗，研究了空氣溫度、濕度、流量、壓力對燃料電池的影響關系，分析了其影響機理，為空氣供應系統零部件選型以及參數標定提供

參考。

1? 試驗條件

1.1 試驗燃料電池電堆

本文采用了蘇州弗爾賽能源科技股份有限公司提供的TP03石墨雙極板，利用螺桿方式裝配110片Gore M720膜電極電堆并進行活化，電堆額定電流200A，額定電壓0.65V。TP03雙極板陰陽極流道如圖1所示，陰極采用蛇形流道，陽極采用波浪形流道。

1.2 試驗方案

為探究電堆對空氣條件的敏感性，在完成電堆性能活化后，分別研究空氣流量（化學計量比）、空氣溫度、空氣壓力、空氣濕度對電堆性能的影響，各測試參數見表1。

2? 空氣化學計量比對電堆性能的影響

2.1 試驗條件

控制氫氣與氧氣入口的相對壓力同為60kPa，氫氣不加濕，空氣加濕到80%，氫氣與空氣入口溫度同為55℃，氫氣化學計量比為1.5保持不變，調整空氣化學計量比分別為1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，分析不同空氣化學計量比條件時電堆的整體性能特性。

2.2 空氣化學計量比敏感性分析

不同空氣化學計量比下電堆的壓降特性如圖2所示，由于陰極與陽極流道的形狀與流量均不相同，故兩者表現出不同的壓降特性。不同工況下陰極的壓降如圖2（a）所示，可以看出在相同電流下，隨著空氣化學計量比的增大，阻降逐漸增大;在相同化學計量比下，隨著電流的增加，壓降亦逐漸增大。從整體趨勢看，陰極側的壓降隨著空氣流量的增加而逐漸增大。在200A時，空氣化學計量比為4.0時，空氣的流量為1466.8SLPM，陰極側的壓降達到最大17kPa。陽極壓降如圖2（b）所示，相比于陰極側壓降，陽極側的壓降呈相同的變化趨勢，但比陰極側小很多;陰極側的壓降偏大主要歸因于：①陰極側采用蛇形流道;②陰極側的氣體流量更大。

空氣化學計量比對電堆性能的影響如圖3所示，由圖中可以看出，隨著空氣化學計量比的增加，燃料電池極板陰極流道尾端氧氣的濃度隨之提升，電堆的性能有明顯的提高。在電流≥60A，計量比≤2.5時，電堆性能的提升較為明顯;計量比≥2.5時，電堆的性能無明顯增益，基本相同，在正常的范圍內波動。考慮到空氣路輔件的功耗問題，可以認為，在電流≥60A時，空氣化學計量比為2.5，電堆的綜合性能最佳，日常測試中可采用該計量比。在電流≤60A時，空氣化學計量比增大，電堆性能均有小幅度提升，考慮到在低電流下的輔件功耗，在小電流下可采用較低的計量比即可滿足性能要求。

3? 空氣溫度對電堆性能的影響

3.1 試驗條件

控制氫氣與空氣入口的相對壓力同為60kPa，氫氣不加濕，空氣加濕到80%，氫氣計量比為1.5，空氣化學計量比為2.5，調節空氣溫度分別為50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，分別測試在110A和200A時的電堆性能，分析不同溫度下電堆的性能特性。

3.2 空氣溫度敏感性分析

110A時電堆性能隨溫度的變化關系如圖4（a）所示，200A時電堆性能隨溫度的變化關系如圖4（b）所示;在110A和200A時，隨著工作溫度的升高電堆的性能均先增加后降低，這是因為提高工作溫度可以提升電化學反應活性，提高電堆性能，但提高工作溫度的同時，會降低在此工況下的開路電壓，所以在提升工作溫度的情況下，電堆性能隨溫度提高呈現出先升高后降低的趨勢。通過溫度敏感性試驗發現，在60℃時電堆的性能最佳，電堆適宜的工作溫度范圍為55℃～65℃。

4? 空氣濕度對電堆性能的影響

4.1 試驗條件

控制氫氣、空氣的相對壓力同為60kPa，氫氣、空氣溫度為55℃，氫氣不加濕，氫氣計量比為1.5，空氣化學計量比為2.5，調節空氣濕度RH分別為20%、40%、60%、80%、100%，分別測試在110A和200A時的電堆性能，分析不同溫度下電堆的性能特性。

4.2 空氣濕度敏感性分析

不同濕度下電堆的性能如圖5所示，隨著濕度的增加，電堆的性能逐漸提升，且在200A時，提高濕度對電堆性能的提升效果更為明顯，這是由于提高進氣濕度，可以提高膜電極表面的水合度，從而提高質子膜的質子傳輸能力，在空氣化學計量比合適時，可以顯著提升電堆性能，不發生水淹現象。通過空氣濕度敏感性試驗，分析認為空氣的適宜加濕范圍為：≥60%。

5? 空氣壓力對電堆性能的影響

5.1 試驗條件

控制氫氣、空氣溫度為55℃，氫氣不加濕，空氣濕度80%，氫氣計量比為1.5，空氣化學計量比為2.5，調整空氣進氣壓力從0kPa～120kPa，分別測試在110A和200A時的電堆性能，分析不同溫度下電堆的性能特性。考慮到低氣壓時，計量比為2.5時空氣量會不足，故增加測試3.5計量比時不同氣壓時電堆的性能。

5.2 空氣壓力敏感性分析

由圖6可以看出，隨著空氣壓力的增加，電堆性能逐漸提高，200A時改變空氣壓力對電堆性能有較大影響。同時，可以看出在110A，空氣計量比為2.5和3.5時電堆的性能差異不大;200A時，空氣計量比為3.5時的電堆性能明顯較優。

6? 小結

本文通過對燃料電池空氣系統相關參數敏感性試驗得到如下結論：

①陰極和陽極側的氣體壓力降均隨著氣體流量的增加而逐漸增大;②隨著空氣化學計量比的增大，電堆性能逐漸增加;空氣壓力為60kPa時，電堆在空氣化學計量比為2.5時達到較優性能;③空氣溫度和空氣濕度對電堆的性能影響程度基本相同;電堆適宜的工作溫度范圍為55℃～65℃;電堆適宜的空氣濕度范圍為：≥60%。

參考文獻：

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