燃料電池模塊氫氧置換和吹掃可靠性研究

林 立，王 振

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燃料電池模塊氫氧置換和吹掃可靠性研究

林 立，王 振

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

通過對燃料電池模塊氫氧置換和吹掃兩個方面進行可靠性試驗，驗證這兩個因素對燃料電池可靠性的影響。其中排放間隔和排放時間對均一性、氫氧利用率和燃料電池壽命均有影響，需要綜合考慮；而在滿足電堆設(shè)計需求的情況下適當(dāng)提高吹掃壓力有利于電堆運行。

燃料電池 置換 吹掃 可靠性

0 引言

燃料電池具有效率高、振動噪聲等級低、輸出功率大等優(yōu)點，其已廣泛應(yīng)用于常規(guī)潛艇、水下無人作戰(zhàn)平臺、無人潛艇、深潛器、陸軍軍用電源以及航天航空領(lǐng)域，支撐各國國防事業(yè)和重大科技項目。

燃料電池作為一個多輸入、多輸出、非線性的強耦合復(fù)雜系統(tǒng)，其電子設(shè)備和元器件種類繁多，電磁干擾環(huán)境惡劣，在實際運行或臺架實驗中難免會發(fā)生種種故障。特別是在燃料電池模塊運行流程中，氫氧置換和吹掃能夠有效影響其可靠性并方便實現(xiàn)。因此，對燃料電池模塊的氫氧置換和吹掃流程開展可靠性研究，對促進其可靠性增長具有重大意義。

1 燃料電池模塊置換可靠性試驗及分析

在模塊置換方面燃料電池全壽命周期可靠性關(guān)鍵因素有：排放間隔和排放時間，采用正交三水平兩因素試驗，指標(biāo)為電堆運行1小時后的工作點參數(shù)和單電壓均一性，該指標(biāo)通過試驗測試得到，然后根據(jù)這三項參數(shù)綜合判斷其可靠性。對應(yīng)的正交試驗表如表1。

根據(jù)表1、圖1和圖2所示，在其它條件不變的前提下，排放間隔和排放時間對燃料電池工作點參數(shù)和單電壓均一性的影響不同。排放間隔越長燃料電池性能越差，主要因為長時閉口運行影響燃料電池生成水的排放，影響氫氧流場與膜電極之間的介質(zhì)傳輸，最終導(dǎo)致電性能下降。排放時間越長燃料電池性能越好，原因同上；由試驗數(shù)據(jù)可知，本試驗選取的兩個排放時間對燃料電池性能的影響相對排放間隔較小，主要因為過長的排放時間會導(dǎo)致氫氧尾排的增加，拉低氫氧利用率，而且會導(dǎo)致燃料電池尾部氫氧側(cè)壓力下降過快，使得燃料電池內(nèi)部氫氧側(cè)壓力波動較大，影響燃料電池的壽命。

表1 模塊置換可靠性試驗正交試驗表

圖2 長排放時間不同排放間隔單電池平均電壓

根據(jù)表1、圖3和圖4所示，排放間隔越長，燃料電池均一性越差，主要因為長時閉口運行影響燃料電池生成水的排放，導(dǎo)致燃料電池局部水淹，最終的表現(xiàn)形式就是個別單電池性能下降，均一性差。排放時間越長，燃料電池均一性越差，主要因為較長時間的排放時間會引起燃料電池排水性能的提升同時也引起燃料電池氫氧側(cè)壓力的波動，而燃料電池排水特性提升引起的均一性提高不及燃料電池氫氧側(cè)壓力波動引起的均一性下降，最終導(dǎo)致燃料電池均一性差。為了保證燃料電池壽命，需要綜合考慮其排放間隔和排放時間。

圖3 短排放時間不同排放間隔單電池均一性

圖4 長排放時間不同排放間隔單電池均一性

2 燃料電池模塊吹掃可靠性試驗及分析

在模塊吹掃方面燃料電池全壽命周期可靠性關(guān)鍵因素有：吹掃壓力和吹掃時間，采用正交三水平兩因素試驗，指標(biāo)為電堆運行1小時后的工作點參數(shù)和單電壓均一性，該指標(biāo)通過試驗測試得到，然后根據(jù)這三項參數(shù)綜合判斷其可靠性。對應(yīng)的正交試驗表如表2。

根據(jù)表2和圖5~8所示，不同吹掃壓力下吹掃時間對燃料電池工作點參數(shù)和單電壓均一性的影響不同。在高壓情況下，較短時間內(nèi)可將燃料電池內(nèi)的產(chǎn)物水吹掃干凈，所以吹掃時間對燃料電池工作點參數(shù)和單電壓均一性的影響較??；而在低壓情況下需要較長時間才能達到同樣的吹掃效果，較長的吹掃時間更有利于電堆內(nèi)部徹底排水，對燃料電池工作點參數(shù)和單電壓均一性有較好的影響。因為燃料電池模塊吹掃壓力受限于燃料電池模塊工作壓力，所以根據(jù)燃料電池模塊工作壓力的不同選擇適當(dāng)?shù)拇祾邥r間，使其滿足燃料電池電堆內(nèi)部產(chǎn)物水排放的要求。

對比工況3&4和工況5&6，在其它條件不變的前提下，吹掃壓力越高，燃料電池工作點平均電壓輕微上漲，而其相應(yīng)的電流密度變化不大，即實際發(fā)電功率略漲。說明吹掃壓力有利于電堆電性能。但是燃料電池模塊吹掃壓力受限于模塊工作壓力，而工作壓力的選擇需要綜合考慮電堆密封性能、膜電極設(shè)計、排水方式、尾氣排放方式等各方面要求，所以在滿足電堆設(shè)計需求的情況下適當(dāng)提高吹掃壓力有利于電堆運行。

表2 模塊吹掃可靠性試驗正交試驗表

3 結(jié)論

根據(jù)上述燃料電池可靠性試驗及結(jié)果分析，得出主要結(jié)論如下：

1）排放間隔越長燃料電池性能越差，排放時間越長燃料電池性能越好，主要原因是受排水性能的影響；排放間隔越長，排放時間越長，燃料電池均一性越差，主要原因是排水性能和氫氧側(cè)壓力波動的交叉影響；排放間隔和排放時間既影響燃料電池性能和均一性，也影響氫氧利用率和燃料電池壽命，需要綜合考慮。

2）根據(jù)燃料電池模塊工作壓力的不同選擇適當(dāng)?shù)拇祾邥r間，使其滿足燃料電池電堆內(nèi)部產(chǎn)物水排放的要求；在滿足電堆設(shè)計需求的情況下適當(dāng)提高吹掃壓力有利于電堆運行。

圖6 長吹掃時間不同吹掃壓力單電池平均電壓

圖7 短吹掃時間不同吹掃壓力電流密度

圖8 長吹掃時間不同吹掃壓力電流密度

[1] 衣寶廉. 燃料電池－原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社, 2003.

[2] 康銳, 石榮德. 型號可靠性維修性保障性技術(shù)規(guī)范[M]．北京: 國防工業(yè)出版社, 2010.

[3] 任露泉. 試驗優(yōu)化設(shè)計與分析[M]．北京: 高等教育出版社, 2003.

Reliability Research on the H2/O2Substitution and Purge of Fuel Cell Module

Lin Li, Wang Zhen

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion, Wuhan 430064, China)

TM911

A

1003-4862（2019）06-0001-03

2018-12-10

林立(1978-)，高級工程師。研究方向：化學(xué)電源。E-mail: linli_csic712@126.com