車用燃料電池水故障的在線診斷

趙 鑫，冀雪峰，張妍懿

[1.中汽研新能源汽車檢驗中心(天津)有限公司，天津 300300； 2.中國汽車技術研究中心有限公司，天津 300300]

燃料電池已在實車上得到應用，燃料電池的穩定運行、故障診斷等問題，也日益受到人們的重視[1-2]。質子交換膜燃料電池(PEMFC)易發生水淹、膜干等健康故障，為了實現最佳性能，提高耐久性，必須保持適當的入口濕度、工作溫度、電流密度、背壓及化學計量比。水故障診斷技術的研究，對PEMFC的發展具有重要的意義。合理的水故障診斷方法，有助于對電池內部的工作狀態進行實時監測、預警并及時應對。適時的故障處理，能降低PEMFC的應用成本[3-4]。我國對PEMFC水故障診斷方法的研究不多，目前還沒有較成熟的商用水故障在線診斷測試技術[5]。

氣體壓力降(氣壓降)可反映PEMFC流道內部的水含量。利用氣壓降，可實現實時在線水故障診斷、預警及預處理。作為一種數據驅動的故障診斷方法，基于氣壓降的水故障診斷方法近年來備受關注[6]。目前，多數實驗都采用陰極氣壓降進行水故障診斷，但陽極側對水淹故障更敏感，且陽極側參數可診斷更廣泛的水故障。陽極氣壓降隨水含量的變化更明顯，預警診斷更及時，而陰極氣壓降因流道內始終存在液態水而難以實現水淹預警，只能在水淹后報警[7]。近年來，也出現了用陽極氣壓降進行水故障診斷的研究[8]。

基于PEMFC陰、陽極氣壓降的水故障診斷方法，本文作者首先搭建PEMFC水故障在線診斷測試平臺；再介紹陰、陽極氣壓降的理論計算方法；最后，針對某款PEMFC堆，進行相關測試研究及分析。

1 PEMFC水故障在線診斷測試平臺

搭建PEMFC水故障在線診斷測試平臺(見圖1)，通過對陰、陽極氣壓降，陰、陽極理論氣壓降及電壓的變化規律進行實時監測，實現對PEMFC水故障的診斷、預警與及時應對。

圖1 PEMFC水故障在線診斷測試平臺

該測試平臺包括：Greenlight Innovation G700氫PEMFC測試臺(加拿大產)、FRDCL-100KTS電子負載(廣東產)、氫氣供應單元[儲氫裝置、Tescom 44-2260-242-009氫氣減壓閥(美國產)、Alicat KM3100氫氣流量計(美國產)、氫氣增濕器(定制氫氣增濕模塊，天津產)、Parker 73216SN2MT00/E7140C2開關閥3(美國產)]、空氣供應單元[FC80空氣濾清器(北京產)、Alicat KM3100空氣流量計(美國產)、Kolon H50空氣增濕器(韓國產)、Parker 73216SN2MT00/E7140C2開關閥2(美國產)]、氮氣供應單元[儲氮裝置、Tescom 44-2260-242-009氮氣減壓閥(美國產)、Alicat KM3100氮氣流量計(美國產)、Parker 73216SN2MT00/E7140C2開關閥1(美國產)]、Simatic S7-1200流量控制裝置(德國產)、Simatic S7-1200濕度控制裝置(德國產)、水故障診斷系統[Wika IS-3壓力傳感器(德國產)、Simatic S7-1200水故障診斷裝置(德國產)]。

實驗時，首先在流量控制裝置設定所需氫氣和空氣的體積流量值，在濕度控制裝置設定所需氫氣和空氣的濕度值；再打開氫氣儲存裝置和開關閥2、開關閥3，根據測試需求及時調整氫氣流量計或空氣流量計，以及氫氣增濕器或空氣增濕器，使進入PEMFC測試臺的氣體流量、濕度達到設定值；氣體在PEMFC內進行反應，通過測試臺和水故障診斷系統，對PEMFC的電壓，陰、陽極氣壓降，以及陰、陽極理論氣壓降進行實時監測，以進行水故障的實時在線診斷和預警。當出現水故障時，水故障診斷裝置會發出警告，此時，通過調整PEMFC的運行工況參數，實現水故障自愈。

2 氣壓降的理論計算

2.1 陰極氣壓降

陰極氣壓降Δpair可分解為沿程阻力壓力降Δpf,air、局部阻力壓力降Δpj,air、重力壓力降Δpg,air以及加速壓力降Δpa,air[9-12]，如式(1)所示。

Δpair=Δpf,air+Δpj,air+Δpg,air+Δpa,air

(1)

陰極氣壓降主要來自Δpf,air和Δpj,air，因此，Δpair可簡化為式(2)：

(2)

式(2)中：L為流道長度；f為摩擦系數；A為流道斷面面積；Cw為流道寬度；Cd為流道深度；ρair為空氣密度；ξ為局部阻力系數；νair為空氣速度；i為通道拐角數；x為積分變量。

進一步計算得到陰極氣壓降，見式(3)：

(3)

式(3)中：φair為空氣濕度；Rm為氣體常數；T為溫度；λair為空氣化學計量比；n為流道數；N為電堆片數；I為電流；pin,air為空氣進口壓力；psat為飽和蒸氣壓，如式(4)所示。

psat=0.000 155T3-0.134 8T2+39.157T-3 799.3

(4)

2.2 陽極氣壓降

陽極氣壓降ΔpH2可分解為沿程阻力壓力降Δpf,H2、局部阻力壓力降Δpj,H2、重力壓力降Δpg,H2以及加速壓力降Δpa,H2，如式(5)所示。

ΔpH2=Δpf,H2+Δpj,H2+Δpg,H2+Δpa,H2

(5)

陽極氣壓降主要來自Δpf,H2，因此，陽極氣壓降ΔpH2見式(6)：

(6)

式(6)中：ρH2為氫氣密度；νH2為氫氣速度。

進一步計算，得到陽極氣壓降：

(7)

式(7)中：pin,H2為氫氣進口壓力；λH2為氫氣化學計量比；μm為混合氣體黏度，如式(8)所示。

(8)

式(8)中：e為自然指數。

3 實驗研究

利用搭建的PEMFC水故障在線診斷測試平臺，對某款車用PEMFC堆進行水故障診斷測試，研究陰、陽極氣壓降，陰、陽極理論氣壓降及電壓的變化規律。

3.1 測試工況

PEMFC水故障診斷測試的實驗工況為：進氣溫度60 ℃，進氣濕度80%，氫氣/空氣化學計量比1.5/2.0，氫氣/空氣進口壓力155 kPa/145 kPa，工作電流565 A。

實驗用PEMFC堆(北京產)的參數：電堆共294片，流道總長度為34.77 m，流道深度為0.2 mm，流道寬度為0.5 mm。

3.2 測試結果分析

3.2.1 陰極氣壓降

PEMFC堆電壓、陰極氣壓降與陰極理論氣壓降的關系如圖2所示。

圖2 PEMFC堆電壓、陰極氣壓降與陰極理論氣壓降的變化

從圖2可知，在整個實驗過程中，陰極氣壓降隨電流變化呈階躍平臺式變化，包含初始狀態段、上升段和階躍平臺段。在實驗初期，電流值較低，陰極流道內僅存在少量離散的小水滴，此時流道內基本呈單相流狀態，因此實際氣壓降與理論氣壓降均較小，電壓也相應地保持較高值。隨著電流的增大，陰極流道內的液態水滴越來越多，逐漸過渡到液滴流狀態。在這個過程中，由于流道內積聚的液滴對氣流的阻礙作用不斷加強，陰極氣壓降不斷升高，電壓值有所下降，但依然保持較高水平，整個PEMFC仍處于較好的運行狀態。隨著電流加載到最大值，并保持穩定，流道內的液態水滴繼續增多，彼此之間會互相連接、合并，相比氣體流量和流速，此時液態水的含量仍不足以阻擋氣體在流道內的流動，因此會為氣體留出流動通道，流道內的氣液兩相呈薄膜流狀態。在這個階段，陰極氣壓降由于薄膜層的存在而保持在一個較平緩的范圍內，電壓值也保持在一個穩定的范圍內。

3.2.2 陽極氣壓降

PEMFC堆電壓、陽極氣壓降與陽極理論氣壓降的關系如圖3所示。

圖3 PEMFC堆電壓、陽極氣壓降與陽極理論氣壓降的變化

從圖3可知，在整個實驗過程中，陽極氣壓降隨電流變化也呈現階躍平臺式變化，包含初始狀態段、上升段和階躍平臺段。在實驗初期，電流值較低，陽極流道內無液態水，此時流道內呈單相流狀態，實際氣壓降與理論氣壓降均較小，電壓相應地保持較高值。隨著實驗的進行，電流不斷增大，陽極流道內可能因為反滲透作用大于電拖曳作用，出現少量的液態水滴。由于流道內積聚的液態水滴對氣流有一定的阻礙作用，陽極氣壓降逐漸升高，電壓值有所下降，但整個PEMFC仍處于較為良好的運行狀態。隨著電流穩定到工作電流，由于電拖曳作用、氣體吹掃以及反滲透作用三者之間達到平衡，流道內的液態水滴量幾乎保持穩定，陽極氣壓降幾乎保持不變，電壓值也穩定在一定的范圍內。

3.2.3 陰、陽極氣壓降對比

相同工況下的陰、陽極氣壓降見圖4。

圖4 PEMFC堆陰、陽極氣壓降的關系

從圖4可知，隨著實驗的進行，陰極側由于電化學反應生成水，陰極氣壓降快速升高。當產水和排水達到某種動態平衡后，陰極氣壓降趨于穩定，不再明顯升高。隨著陰極流道的水量增多，陰極與陽極之間的水濃度梯度使部分陰極水通過反滲透作用到達陽極，最終反滲透作用的帶水速率高于電拖曳作用的帶水速率，陽極流道內的水量開始緩慢增加，此時陽極氣壓降開始增大。由于陽極側水量少于陰極側，陽極氣壓降明顯小于陰極氣壓降。

4 結論

采用合理的水故障診斷方法，可以對PEMFC的內部工作狀態進行實時監測、預警并及時應對。本文作者首先搭建了PEMFC水故障在線診斷測試平臺；再介紹陰、陽極氣壓降的理論計算方法；最后，對某款PEMFC堆進行陰、陽極氣壓降和電壓的測試研究及分析。

實驗結果表明，在整個實驗過程中，陰、陽極氣壓降隨電流變化皆呈階躍平臺式變化；由于實驗過程中PEMFC內部水量變化，前1 000 s時，陰極氣壓降快速升高，電壓值快速下降，1 500 s后，陰極氣壓降和電壓值趨于穩定；隨著陰極流道的水量增多，反滲透作用的帶水速率高于電拖曳作用的帶水速率，陽極氣壓降開始緩慢增加，1 500 s后，陽極氣壓降逐漸穩定；陽極氣壓降明顯小于陰極氣壓降。