陽極壓力降在PEMFC故障診斷中的應用

彭玉林，陳 濤，肖 飛，羅家樂

(武漢理工大學機電工程學院，湖北武漢 430070)

隨著燃料電池汽車實用化、商品化進程的加快，氫作為車用燃料電池燃料出現了一些問題仍需進一步解決[1-2]。質子交換膜燃料電池中的水分布至關重要，水平衡的任何干擾都會導致內部故障，包括會影響系統性能和可靠性的電池水淹或膜干燥。PEMFC 故障能夠引起系統性能衰減甚至縮短電堆的使用壽命，對PEMFC 的監控和故障診斷成為亟待解決的問題[3]。

對于PEMFC 的水故障診斷，常利用的診斷指標有電壓、壓力降、阻抗譜；如陳金奇等[4]在不同進氣的相對濕度和電流工況下對PEMFC 電堆進行電化學阻抗譜(EIS)測試，分析PEMFC 電堆內部水狀況、提取膜干和水淹故障的典型特征進行故障診斷。陽極壓力降只與結構和氣體供應工況有關，受膜退化的影響較小，并且一旦建立好各種故障類型的所對應的壓力降偏差的閾值，對往后發生的故障類型便可以直接進行診斷。

Bernardi 等[5]指出通常空氣側流量較大，帶水能力較強，而氫氣側氣流速度低，液態水在流道內逐漸積聚，最后堵塞流道。陽極氫氣過量系數很小，幾乎全部在電化學反應中消耗，對液態水的吹掃能力遠弱于陰極，因而對水淹的抵抗能力更弱，需要優先診斷。

本文首先建立了陽極單相流壓力降理論模型，然后監測不同實驗工況下的陽極壓力降和電壓的變化，最后得到了PEMFC 處于水淹、膜干、缺氫、正常狀態時的壓力降偏差閾值以及利用陽極壓力降進行故障診斷的方法流程。

1 理論基礎

1.1 PEMFC 膜內水遷移機制

PEMFC 的水傳輸示意圖如圖1 所示，在PEMFC 的交換膜中水的遷移方式共有三種：電滲遷移、壓力遷移和濃差擴散。電滲遷移是指質子以H+(H2O)x的形式從陽極向陰極遷移所帶走的水量。壓力遷移是指在膜兩側壓力差的作用下從壓力高的一側傳遞到壓力低的一側的水量。濃差擴散是指在膜兩側濃度差的作用下從濃度高的一側傳遞到濃度低的一側的水量。水傳輸平衡的影響情況可以通過電堆陽極流道內的壓力降和電堆電壓進行分析和判斷。

圖1 PEMFC的水傳輸示意圖

1.2 PEMFC 中的陽極壓力降理論

燃料電池的流體在經過流道后，在此過程中壓力損失包括沿程壓力降損失、局部壓力降損失和加速度損失。當燃料電池沒有被水淹時，可以將其看作一個獨立的流場，PEMFC陰陽極流道流型如圖2 所示。燃料電池復雜的工作過程中電流、進氣濕度、過量進氣系數、進氣壓力以及溫度對陽極單相流壓力降都存在一定的影響規律性。

圖2 陰陽極流道流型示意圖

一般來說，燃料電池中氫氣在流場受重力和加速度影響所造成的壓力降很小，可以忽略不計，第一項為沿程壓力降，第二項為局部壓力降，局部壓力降跟流道形狀有關，在蛇形流道中是不容忽視的，陽極壓力降的基本計算公式如式(1)所示：

1.2.1 沿程壓力降

沿程壓力降：ΔPf=，式中：L為流道長度；d為通道水力直徑；f為燃料電池堆內氫氣流層的摩擦系數；ρ 為氣體密度；v為氣體的流動速度。對于正方形通道有Re·f≈56，雷諾數Re=rvd/μ。而根據流速則可以通過流量算得：v=Qx/rANn。在相對濕度不為零的陽極流道內包含氫氣和水蒸氣，其總質量流量可以通過式(2)計算得到：

式中：QH、QW(下標H 為氫氣，W 為水蒸氣)計算公式如下，為了計算方便x=0.5：

式中：Qh為流道入口處的流量。

為了計算方便，將流道內的壓強做近似處理：

混合氣體的密度可由式(7)計算得到：

式中：d為水力直徑；wc為流道寬度；dc為流道深度。

黏度不僅隨溫度而變化而且與壓力也有關系，313 K 下混合氣與氫氣黏度相同。文獻[6]給出了由曲線回歸得到的氫與飽和水蒸氣的混合氣體的黏度公式，最終得到沿程壓力降計算公式如下：

式中：n為流道數量；N為燃料電池單電池個數；φ為相對濕度；I為電流；λH為氫氣的化學計量比；F為法拉第常數964 85 C/mol；R為氣體常數8 314 J/(mol·K)；下標sat 表示飽和水蒸氣。

1.2.2 局部壓力降

在燃料電池中，在流道的進出口處以及流道的拐角處是產生局部壓力降的關鍵地方。局部壓力降為：

式中：i為轉角數目，盡管一些幾何壓力損耗系數ξ可用于各種彎管或彎頭，但沒有一個適合于燃料電池中特定形狀的氣體流動通道。對于90°的彎管，建議采用30f的較大值。

由于局部壓力降數值相對較小，因此需要盡量簡化公式，如果按照上述的流量和流速公式來計算將會極為復雜，取流道中間部分的流速作為平均流速，則有：

因此可以得到局部壓力降為：

1.2.3 總壓力降模型

將沿程壓力降與局部壓力降相加得到總的氫壓力降公式，各個參數含義如前所述，另外由于該模型主要用于故障分析中，因此忽略了空載(即0 A)時的壓力降變化情況。

式中：n為流道數量(n=5)；φ為相對濕度(實驗中加濕罐溫度取值為35～60 ℃)；I為電流(實驗中取值為2～24 A)；λH為氫氣的化學計量比(實驗中取值為1.2～2.0)；T為電堆溫度(實驗中取值為40～70 ℃)；P為進氣壓力(背壓施加范圍為0～70 kPa)；i為流道轉角數量(i=8)；wc為流道寬度(wc=1 mm)；dc為流道深度(dc=1 mm)；L為流道的總長度(L=1 248 mm)。我們將電堆連續穩定運行了1 個多小時并測量了此過程的壓力降變化和電壓變化，如圖3 所示，實驗工況條件為：陽極相對濕度79%(加濕罐溫度為50 ℃)、陽極過量系數為1.2、陽極進氣口壓力為111 kPa、電堆溫度60 ℃、電流10 A，理論值由公式計算得到。從實驗中可以看出推導的模型精度達到了比較高的水平。

圖3 給定工況下穩定運行時的陽極壓力降和電壓變化情況

2 故障模擬實驗

測試實驗臺為群翌能源有限公司的PEMFC 測試臺，該實驗臺可實現對PEMFC 電堆進氣的相對濕度(以下簡稱相對濕度)、進氣速度和電堆工作溫度的控制。實驗對象為自制的五蛇流道的三級電堆，單片電池之間采用Z 型相連的進氣方式，膜的型號為NR211，活化面積為25 cm2。為了研究陽極壓力降在水淹、膜干故障中的變化以及發生各類型故障時的壓力降閾值，我們設定了不同工況下的故障模擬實驗。

2.1 水淹實驗

水淹實驗參數設置如表1 所示，其中實驗1 做基準實驗用于對比。從圖4 可以看出當電堆發生水淹故障時電壓開始出現比較明顯的下降趨勢、陽極壓力降出現較大增幅。隨著反應的進行，由于陽極相對濕度較大，液態水逐漸在流道內積聚影響了氣體的擴散導致了進出口壓力降的增大以及電化學反應的進行使電壓下降。

表1 水淹實驗參數設置

圖4 發生水淹時的壓力降和電壓變化趨勢

以實驗1 為基準實驗分別改變了電流、陽極過量系數、陽極相對濕度、陽極背壓以及電堆溫度，并最終通過實驗分析得到水淹發生時的壓力降偏差閾值、壓力降變化速率、電壓變化速率。

有文獻將流道內水的積聚分為4個階段：單相流、液滴流、薄膜流、水團流[7]，本文為了方便說明將液滴流與薄膜流歸在一起。通過計算開始水淹時壓力降值與薄膜流段的平均壓力降值差(DP2)對于薄膜流與單相流的理論值差(DP1)的比例得到了各個工況下發生水淹時的壓力降偏差閾值如表2 所示。由實驗分析可知當電壓下降速率超過0.060 0 V/min、壓力降偏差值大于20%、壓力降增大速率超過8 Pa/min時我們可以認定電堆發生了水淹故障，我們認為在滿足其中之二時可以作為水淹的預警。

表2 各個工況下發生水淹時的壓力降變化速率及電壓變化速率

2.2 膜干實驗

膜干實驗參數設置如表3 所示。其中關于陽極濕度的設置方式的說明：當到達設定相對濕度穩定運行一段時間后將加濕罐關掉以通入干氫氣，加速膜干的發生以節省實驗所需時間；由分析可知每組工況發生膜干時的壓力降閾值小于該組采用“極端”方式的閾值(當到達設定相對濕度穩定運行一段時間后，關閉加濕通入干氫氣，加速了該組工況下膜干的發生)。從圖5 可以看出當電堆發生膜干故障時電壓開始出現比較明顯的下降趨勢、陽極壓力降幾乎無變化。隨著反應的進行，由于陽極相對濕度較低，液態水逐漸在流道內被吹出使得膜含水量下降，影響電化學反應的進行使電壓下降。

圖5 發生膜干時的壓力降和電壓變化趨勢

從圖5 可以看出，當反應達到一定程度時陽極壓力降會由于流道內的水薄膜被破壞，使得流道的阻力系數增大，從而使得陽極壓力降也增大，但這個增大量比水淹造成的增大量小得多且會趨于穩定。

通過計算膜干后DP2對于DP1的比例得到了各個工況下發生膜干時的壓力降偏差閾值如表4 所示。由實驗分析可知當電壓下降速率超過0.008 V/min、壓力降偏差值不超過8%、壓力降增大速率不超過8 Pa/min 時可以認定電堆發生了膜干故障，我們認為在滿足其中之二時可以作為膜干的預警。

表4 各個工況下發生膜干時的壓力降變化速率及電壓變化速率

2.3 缺氫實驗

由于缺氫實驗中最重要的參數為陽極過量系數，因此我們在實驗中減小陽極過量系數來模擬缺氫故障，為了更好地模擬缺氫故障需要減小初始流量，并且為了保護電池最好在小電流下進行實驗。如實驗1 當電堆穩定運行時將過量系數由1.2 變為1.1，實驗工況如表5 所示。

表5 缺氫實驗參數設置

實驗結果顯示除了實驗1 的壓力降閾值在15%左右，實驗2 和實驗3 的壓力降閾值都非常大。如圖6 所示，當電堆出現缺氫時，電壓和壓力降出現快速下降。各個工況下發生缺氫時的壓力降偏差閾值如表6 所示。

表6 各個工況下發生缺氫時的壓力降變化速率及電壓變化速率

圖6 發生缺氫時的壓力降和電壓變化趨勢

為了避免缺氫故障造成電堆損耗，我們建議當電壓下降速率超過0.03 V/min、壓力降偏差值小于－15%、壓力降減小速率超過24 Pa/min 時作為缺氫故障的閾值，以保護電池不產生損壞，我們認為在滿足其中之二時可以作為缺氫的預警。

3 結果與討論

實驗結果表明PEMFC 發生水淹、膜干、缺氫故障時的陽極壓力降和電壓的變化情況不同，陽極水淹時流道內的水堵塞了氣體的流動造成壓力降的增大和阻礙了電化學原料的供應，造成電壓的下降；膜干時陽極流道沒有液態水，對陽極流道內壓力降影響很小，但膜的含水量下降對H+(H2O)x的運輸造成電堆電壓下降；陽極缺氫時氣體供應量減少產生的壓力降減小、電堆電壓下降。因此我們能夠依據測量的電壓和陽極壓力降快速診斷出水淹、膜干、缺氫和正常4 種狀態，最后我們將此方法的流程總結為如圖7 所示，其中Dp指陽極壓力降偏差閾值，Dr指壓力降變化速率(增大為正，減小為負)，Vr指電壓下降速率。

圖7 診斷流程圖

4 結論

我們通過設置不同的實驗工況分別得到水淹、膜干、缺氫時的陽極進出口的壓力降和PEMFC 電壓的變化并對電堆的故障類型進行診斷。得出結論如下：

(1)本文建立了陽極的單相流壓力降的理論模型，并通過實驗驗證了模型的有效性和精度。

(2)實驗結果表明：電壓下降速率超過0.060 0 V/min、壓力降偏差值大于20%、壓力降增大速率超過8 Pa/min 時PEMFC電堆發生了水淹故障；電壓下降速率超過0.008 V/min、壓力降偏差值不超過8%、壓力降增大速率不超過8 Pa/min 時PEMFC 電堆發生了膜干故障；電壓下降速率超過0.03 V/min、壓力降偏差值小于－15%、壓力降變化速率超過24 Pa/min 時發生了缺氫故障。

我們在分別在一定范圍內改變了陽極過量系數、陽極相對濕度、陽極進口壓力、電堆溫度、電流以得到某單一參數所引起故障時的最大壓力降或最小壓力降變化閾值，并沒有考慮幾個參數同時變化引起的故障，另外在設置陰極參數時消除或弱化了陰極的影響，并且電堆的供氣系統、控制系統和監測裝置都需要保證其健康穩定運行，上述影響因素都將限制以上結論的成立。