基于正交試驗的低壓燃料電池性能

常國峰,倪淮生,許思傳

(同濟大學(xué) 汽車學(xué)院, 上海200092)

燃料電池發(fā)動機[1-3]作為一種新型動力源, 由于高效、低排放等優(yōu)點,已逐漸成為最有可能替代內(nèi)燃式發(fā)動機的車載發(fā)動機, 目前已成為世界各大汽車商和研究機構(gòu)的研發(fā)重點.同時, 和傳統(tǒng)的化學(xué)反應(yīng)條件相比,燃料電池發(fā)動機所處的環(huán)境比較惡劣,汽車周圍空氣的溫度、壓力和濕度等條件隨著地域、季節(jié)的變化范圍很大;而燃料電池電堆對工作條件要求又比較苛刻.上述這些特點使得在進行燃料電池發(fā)動機開發(fā)時, 各分系統(tǒng)之間的匹配和優(yōu)化就顯得非常重要.

在燃料電池運行過程中,需要控制很多參數(shù),以讓燃料電池能夠工作在最佳的狀態(tài),但是由于工作原理的截然不同,燃料電池工作中需要控制的參數(shù)也不盡相同, 很多科研工作者都在做燃料電池性能方面的研究:John Ho Koh 等[4]對質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell ,PEMFC)中的壓力和流量分布進行了數(shù)值模擬,同時研究了氣體流量對電池性能的影響.Ganesh Mohan 等[5]研究了反應(yīng)氣體在PEMFC 中的分布不均等問題;在溫度對PEMFC性能影響研究的基礎(chǔ)上[6-7],對電池工作壓力,氣體流量影響PEMFC 性能的規(guī)律進行了試驗分析和理論驗證.吳玉厚等[8]研究了操作參數(shù)如背壓、輸入氣體流量、輸入氣體加濕溫度和電池溫度等對PEMFC 伏安特性和功率密度的影響;Wang Lin 等[9]對PEMFC 進行了參數(shù)試驗,得到了不同參數(shù)下的電池性能變化趨勢.正交試驗方法是利用正交表可科學(xué)地安排與分析多因素試驗的方法,目前公開文獻中尚未發(fā)現(xiàn)其在燃料電池性能研究中的應(yīng)用.

1 試驗方法和試驗方案

在燃料電池運行過程中, 就像傳統(tǒng)發(fā)動機需要控制進氣量、進氣溫度、噴油量等一樣, 也需要控制很多參數(shù),以讓燃料電池能夠工作在最佳的狀態(tài),但是由于工作原理的截然不同, 燃料電池工作中需要控制的參數(shù)也不盡相同, 需要用正交試驗來分析各個參數(shù)對燃料電池性能的影響.

1.1 燃料電池運行參數(shù)

目前車用燃料電池多為PEMFC,其工作溫度影響到內(nèi)部的溫度分布以及催化劑效率,為一個重要參數(shù).

另外,進行工作時,參加反應(yīng)的氣體是氫氣和氧氣, 但是一般燃料電池汽車很少有采用供給純氧來參加反應(yīng)的, 總是直接采用供應(yīng)空氣的方法;另外,由于質(zhì)子交換膜燃料電池的特殊性, 供應(yīng)的氣體都需要進行必要的加濕, 以保證質(zhì)子交換膜的正常工作;燃料電池供應(yīng)的反應(yīng)氣體并不是全部消耗的,因此,在燃料電池各種參數(shù)中,與燃料電池工作狀態(tài)相關(guān)的參數(shù)有:

(1)燃料電池工作溫度

(2)空氣相關(guān)參數(shù)

溫度:加濕后,燃料電池空氣入口溫度;流量(當(dāng)量):燃料電池空氣入口流量;壓力:燃料電池空氣入口壓力,背壓控制;濕度:燃料電池空氣入口濕度.

(3)氫氣相關(guān)參數(shù)

溫度:加濕后,燃料電池氫氣入口溫度;流量(當(dāng)量):燃料電池氫氣入口流量;壓力:燃料電池氫氣入口壓力,減壓閥控制;濕度:燃料電池氫氣入口濕度.

此次試驗所采用的質(zhì)子交換膜燃料電池, 一共由480 片單電池組成,共分為4 組.表1 為它的基本工作參數(shù):

表1 燃料電池基本工作參數(shù)Tab.1 Basic operating parameters of fuel cell

1.2 測試平臺

測試平臺的主要參數(shù)(見表2)范圍為:水熱管理系統(tǒng)主要實現(xiàn)冷卻循環(huán)和水熱平衡的功能.

表2 測試平臺參數(shù)Tab.2 Test platform parameters

該100 kW 級燃料電池測試平臺的構(gòu)建對于燃料電池發(fā)動機的研發(fā)具有相當(dāng)重要的意義和幫助,它可以對燃料電池發(fā)動機的電堆和各輔助部件進行測試.

1.3 正交試驗參數(shù)表

燃料電池運行中可以調(diào)節(jié)以及需要調(diào)節(jié)的參數(shù)總共包括:燃料電池溫度、反應(yīng)氣體(空氣和氫氣)的溫度、壓力和濕度.對于這次低壓電堆的正交試驗需要從中挑選出全部或部分參數(shù)進行試驗, 并且根據(jù)燃料電池的原理以及在文獻中提及的其他燃料電池性能試驗成果的基礎(chǔ)上, 進一步分析并確定各個參數(shù)的試驗水平, 以得到正交試驗的最終設(shè)計.試驗水平見表3 .

表3 低壓燃料電池正交試驗水平Tab.3 Orthogonal test levels of low-pressure fuel cell

根據(jù)試驗的參數(shù)個數(shù)及相應(yīng)的水平數(shù), 此次正交試驗將使用正交表L18(37).由于所涉及的參數(shù)總共為5 個,因此將僅僅占用到正交表中的前5 列,剩余的2 列空白列在進行試驗數(shù)據(jù)處理時,可以作為兩個誤差列來使用(見表4).

表4 低壓燃料電池正交試驗表Tab.4 Orthogonal test data table of low-pressure fuel cell

本次低壓燃料電池正交試驗, 擬選取5 個比較具有代表性的工況點進行試驗, 這些工況點分別為:10 ,50 ,90,120 和150 A .如果條件允許的話, 增加工況點, 進行更多次的試驗,有利于結(jié)果精度的提高.

根據(jù)以上所定的工況點, 可以計算出各工況點的空氣和氫氣流量值.計算得到試驗中的氫氣供應(yīng)量見表5 .

表5 各工況下的氫氣流量Tab.5 Hydrogen f low rates of different conditions

計算得到試驗中的空氣供應(yīng)量見表6 .

表6 各工況下的空氣流量Tab.6 Air flow rate of different conditions

2 試驗數(shù)據(jù)及分析

2.1 試驗數(shù)據(jù)

根據(jù)以上設(shè)計的正交試驗表, 在按照正交試驗設(shè)計表調(diào)整參數(shù)后, 便可以通過電子負載(迪卡龍)的設(shè)備記錄電壓值了.表7 中便為本次低壓燃料電池正交試驗第1 個工況點(10 A)的試驗結(jié)果記錄.對于50 ,90,120,150 A 的正交試驗數(shù)據(jù),由于篇幅的原因這里不再給出.

表7 低壓燃料電池正交試驗工況點一(10 A)試驗結(jié)果記錄Tab.7 Test result records of low-pressure fuel cell orthogonal tests at condition point 10 A

2 .2 試驗數(shù)據(jù)的方差分析

10 ,50 ,90,120 和150 A 工況下的正交試驗數(shù)據(jù)的方差見表8～表12 .

表8 10 A 工況點正交試驗方差分析Tab.8 Variance analysis of orthogonal tests at condition point 10 A

表9 50 A 工況點正交試驗處理方差分析Tab.9 Variance analysis of orthogonal tests at condition point 50 A

表10 90 A 工況點正交試驗處理方差分析Tab.10 Variance analysis of orthogonal tests at condition point 90 A

表11 120 A 工況點正交試驗處理方差分析Tab.11 Variance analysis of orthogonal tests at condition point 120 A

表12 150 A 工況點正交試驗處理方差分析Tab.12 Variance analysis of orthogonal tests at condition point 150 A

3 數(shù)據(jù)分析

首先討論一下各個試驗參數(shù)對于燃料電池性能的影響大小.在試驗結(jié)果中, 對于燃料電池性能的影響大小可以由計算得到的F值來確定.通過試驗結(jié)果可以看到,氫氣濕度與氫氣當(dāng)量對于燃料電池性能的影響始終較小, 影響很不顯著;空氣濕度的影響略大一些,燃料電池工作溫度的影響更大一些,空氣濕度與燃料電池溫度的影響在電流升高時,相對變化較小,影響比較穩(wěn)定;空氣當(dāng)量對于燃料電池性能的影響在不同工況下的大小有很大的變化, 空氣濕度、燃料電池工作溫度以及空氣當(dāng)量對于燃料電池性能的影響是顯著的,其中,以空氣濕度的影響為最小.

3.1 氫氣

對于5 個不同的工況點:

氫氣濕度的F值分別為:0 .53,0 .40,0 .11 ,0 .07 ,0 .32 ;氫氣當(dāng)量的F值分別為:0 .03,0 .28 ,0 .40 ,1 .39 ,0 .27 .

這樣的對于燃料電池性能(標(biāo)準(zhǔn)為輸出電壓)的影響力,與其他3 個參數(shù)比較下來, 可以說是非常小的,因此, 可以得到的結(jié)論是:氫氣的濕度與氫氣的當(dāng)量比對于燃料電池性能的影響較小, 相對于空氣的濕度、當(dāng)量比以及燃料電池的工作溫度而言, 可以不予考慮.

上述的結(jié)論與理論分析的結(jié)果一個非常吻合,另一個則有較大的出入.

首先,關(guān)于氫氣當(dāng)量比的影響不大,這與理論分析比較吻合.由于氫氣側(cè)使用的是純氫氣, 因此氫氣流量的變化只對于氫氣燃料的供應(yīng)量有直接關(guān)系,而流量的變化對于氫氣的分壓力影響幾乎沒有;在供應(yīng)了足夠進行氫氧反應(yīng)的氫氣量之后, 供應(yīng)量的增大與燃料電池性能的關(guān)系就很小, 而與燃料電池性能有較大關(guān)系的氫氣分壓力在氫氣流量變化時,變化也不大, 因此間接的對于燃料電池性能的影響也很小.因此,氫氣當(dāng)量的試驗結(jié)果與以上的理論分析結(jié)果相當(dāng)一致.

其次,關(guān)于氫氣濕度的影響不大,這與理論分析的有較大出入.根據(jù)理論分析中所認為的, 由于質(zhì)子在穿透質(zhì)子交換膜從陽極到陰極的遷移過程中需要與水結(jié)合,會將水由陽極氫氣側(cè)帶到陰極空氣側(cè),因此陽極氫氣側(cè)的水會由于不斷地遷移而減少,因此氫氣側(cè)的加濕很重要,而陰極空氣側(cè)相對來說, 由于水從陽極遷移到陰極以及在陰極側(cè)氫氧反應(yīng)生成水這兩部分的補充,加濕要求相對較低.但是從試驗結(jié)果看, 陰極側(cè)加濕的影響遠大于陽極氫氣側(cè)的加濕.因此,對于該試驗可以認為可能是由于以下原因造成的:

(1)由于該燃料電池是一個低壓燃料電池, 功率密度較小,故氫氧反應(yīng)進行的速度不快, 又由于質(zhì)子遷移帶動的水遷移流量并不大, 同時由于水分布在質(zhì)子交換膜兩側(cè)存在一定的梯度, 也會由陰極側(cè)向陽極側(cè)發(fā)生反擴散, 因此在陽極到陰極的水遷移與陰極向陽極的水?dāng)U散速度相差不大的情況下, 并沒有在陽極氫氣側(cè)發(fā)生較嚴(yán)重的脫水問題.

(2)由于相似的原因, 在氫氣側(cè)加濕條件變化的情況下, 水由于分布梯度造成的擴散會由于水分布梯度的變化而調(diào)整, 這在一定程度上對陽極氫氣側(cè)的濕度狀況形成了一種反饋控制,即濕度加大時,水會更多地從陽極側(cè)滲透到陰極側(cè), 而在濕度降低時,水則會更多地由陰極側(cè)滲透到陽極,因此大大地減少了由于陽極氫氣側(cè)的加濕條件變化造成的燃料電池性能的變化.

(3)由于氫氣側(cè)的流量要遠小于空氣的流量,因此, 由于氣體加濕而攜帶的水量也遠小于空氣,這就造成在影響水的分布梯度時, 氫氣側(cè)攜帶的水的影響要遠比空氣側(cè)所攜帶水的影響小.

所以, 正交試驗中所得到的試驗結(jié)果與之前的理論分析有較大的區(qū)別.在沒有較可靠的水分布理論之前,很難對濕度究竟如何在燃料電池內(nèi)部產(chǎn)生影響有更可靠的分析.

3.2 空氣

對于5 個不同的工況點,空氣當(dāng)量比的F值分別為:33 .66 ,61 .19,103 .02 ,64 .72,53 .25 .

通過以上數(shù)據(jù)可以看到, 空氣當(dāng)量比對燃料電池性能的影響在5 個運行參數(shù)中是最復(fù)雜的.它不是有固定的影響效果,而是隨著工況點的變化,隨著燃料電池電流大小的變化,而發(fā)生較大的變化.總體的趨勢是, 隨著電流的增大,空氣當(dāng)量比對燃料電池性能的影響也增大;但是也可以看到,當(dāng)電流達到較高水平時(本試驗中電流達到120A 之后),這種影響還是下降了.這樣的試驗結(jié)果,可以從以下幾個方面來解釋.

首先, 空氣當(dāng)量比對性能的影響,根據(jù)之前的理論分析可以認為, 主要發(fā)生在濃度極化作為電池電壓損失的主要控制時,體現(xiàn)在氧氣分壓力的變化上.所謂濃度極化也就是濃度損失, 是由燃料在使用時,電極表面反應(yīng)物的濃度發(fā)生變化而導(dǎo)致的.由于氣體在流道中流動時, 氣體的濃度由于消耗會逐漸降低,因此會逐漸形成一個濃度梯度, 即氧氣份壓力存在梯度.在濃度較小的地方由于氧氣份壓力小, 會影響到燃料電池的性能, 而空氣當(dāng)量比正是減少這種損失的相當(dāng)有效的方法.

其次,隨著電流的增大,氣體的消耗量也隨之增大,因此, 所產(chǎn)生的濃度分布梯度也相應(yīng)地增加.這樣, 濃度損失在燃料電池性能影響中的重要性在提高, 于是, 對于有效克服這種損失的空氣當(dāng)量比而言,其值的改變對于燃料電池性能的影響, 也會隨之增大.

最后,對于在大電流密度下, 空氣當(dāng)量比的影響又有所減小,可能是由于參數(shù)之間交互的影響.由于氣體流量的增加, 使單位時間內(nèi)氣體帶入電池內(nèi)的水量增多,在水無法有效地排除情況下,流道中的液態(tài)凝結(jié)水,勢必會影響氣體在擴散層中的擴散, 這對于性能的副作用,與提高流量對于性能的積極作用,相互之間抵消了一部分, 使得空氣的當(dāng)量比對于性能的影響減小了.

4 結(jié)論

(1)氫氣的濕度與氫氣的當(dāng)量比對于燃料電池性能的影響較小,相對于空氣的濕度、當(dāng)量比以及燃料電池的工作溫度而言, 可以不予考慮, 如表13所示.

表13 低壓燃料電池不同因素影響大小排序Tab.13 Sorting by effect degree of different factors on fuel cell

(2)空氣當(dāng)量比對燃料電池性能的影響在5 運行參數(shù)中是最復(fù)雜的.它不是有固定的影響效果,而是隨著工況點的變化, 隨著燃料電池電流大小的變化,而發(fā)生較大的變化.總體趨勢是, 隨著電流的增大,空氣當(dāng)量比對燃料電池性能的影響也增大;但是也看到,當(dāng)電流達到較高水平時(本試驗中電流達到120 A 之后),這種影響還是下降了.

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