質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)陽極尾排策略研究＊

丁新立

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511434）

1 前言

氫燃料電池工作原理是在催化劑的作用下，將氫氣和氧氣的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的能量轉(zhuǎn)換裝置[1,2]，且反應(yīng)產(chǎn)物只有水。它具有清潔、高效、工作溫度低等突出特點(diǎn)。且反應(yīng)過程不受卡諾循環(huán)限制，能量轉(zhuǎn)換效率高，使得其在未來可能代替其他熱機(jī)的新型能量轉(zhuǎn)換裝置[3]。1993年巴拉德公司第一臺燃料電池車問世；2014年豐田“Mirai”問世，推動了燃料電池車的發(fā)展進(jìn)度[4]。燃料電池車與純電動車相比，具有能量密度高、燃料補(bǔ)充時間短、續(xù)航里程長等優(yōu)勢。由于其突出的優(yōu)點(diǎn)，備受各國政府和企業(yè)的重視，被認(rèn)為是二十一世紀(jì)清潔能源的首選[5]。

在催化劑作用下，氫氣在陽極被電化學(xué)氧化生成質(zhì)子，質(zhì)子通過膜傳導(dǎo)到陰極，在陰極氧氣被電化學(xué)還原生成水[6]。而陰極側(cè)生成的水以及空氣中的氮?dú)?，在高溫高壓等條件作用下會擴(kuò)散到陽極。長時間的氮?dú)夂退e累，會影響電堆性能，因此定期排出水和氮?dú)馐侵陵P(guān)重要的。脈沖排放模式利用陽極出口的電磁閥進(jìn)行周期排放，能夠有效排出反應(yīng)物，穩(wěn)定電池性能[7,8]。本文根據(jù)電堆的特性以及試驗(yàn)，給出了陽極脈沖式尾排策略的優(yōu)化方向，可有效排出陽極水分和氮?dú)猓闺姸研阅荛L時間得以維持，同時提高氫氣利用率。

2 工作原理及陽極結(jié)構(gòu)

2.1 工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將燃料與氧氣通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)換成電能的發(fā)電裝置。

其中，氫燃料電池的工作原理如下：

（1）氫氣在陽極催化劑的作用下分解成質(zhì)子和電子。

陽極反應(yīng)式：

（2）質(zhì)子穿過電解質(zhì)膜，在陰極氧與氫離子反應(yīng)生成水，而電子則通過外電路形成電流。

陰極反應(yīng)式：

總反應(yīng)：

圖1為常見的質(zhì)子交換膜燃料電池單池原理結(jié)構(gòu)[9]。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池原理結(jié)構(gòu)圖

由上述原理以及下述陽極系統(tǒng)結(jié)構(gòu)可知，在燃料電池工作過程中會產(chǎn)生大量的水汽。由于質(zhì)子交換膜的特性以及高壓和高溫的工作環(huán)境，會有氮?dú)夂退麖年帢O滲透到陽極，并且在陽極會不斷積累。為使燃料電池長時間高性能的穩(wěn)定工作必須將該部分氮?dú)夂退旨皶r排出[7,8]。

2.2 陽極系統(tǒng)

圖2 陽極回路結(jié)構(gòu)圖

為了有效地排出陽極路的氮?dú)夂鸵簯B(tài)水，必須具有一個合理的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。車用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動機(jī)系統(tǒng)的陽極回路中，一般包括供氫總成、水汽分離器、尾排閥、氫入/出壓力傳感器等。其中尾排閥一般安裝在水汽分離器的最低端，這樣可以更加方便有效地將液態(tài)水和雜質(zhì)排出。

具體陽極回路系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2。

3 尾排策略

在文獻(xiàn)中[4,7]對陽極水的滲透率做了詳細(xì)的分析，不僅與膜電極的材料、操作溫度和壓力等因素也有關(guān)，并且還會隨著電流密度的增加而增加。尾排閥的開啟不僅與水的產(chǎn)生量有關(guān)，而且還與陽極其他雜質(zhì)氣體比如氮?dú)庥嘘P(guān)。另外，當(dāng)燃料電池開始工作時溫度較低，氣態(tài)水易液態(tài)化。在整車應(yīng)用上一般采用脈沖式尾排策略[10,11]，具體工作流程如下：

圖3 尾排控制流程

該策略主要思路為：根據(jù)燃料電池產(chǎn)水量以及滲透到陽極的水汽量，通過試驗(yàn)標(biāo)定的方法確定尾排閥的頻率。在低溫條件下，汽態(tài)水容易液化，根據(jù)電堆冷卻液出水口溫度對尾排頻率進(jìn)行補(bǔ)償。尾排的開啟時長除了根據(jù)產(chǎn)水量確定，還根據(jù)尾排閥的特性決定，要求在排出水和氮?dú)獾耐瑫r要盡可能少地排出氫氣，以確保系統(tǒng)的安全性和氫氣利用率。

4 試驗(yàn)

本文設(shè)計(jì)了三組試驗(yàn)：

（1）固定PEMFC的電流密度和尾排頻率，測試尾排閥不同的開啟時長尾氣氫濃度的值。為了試驗(yàn)的安全，在較低電流密度（200mA/cm2）下進(jìn)行試驗(yàn)，測試不同尾排閥的開啟時長，記錄尾排開啟瞬間氫濃度最大值。

具體試驗(yàn)結(jié)果如下圖：

圖4 尾排閥開啟時長與尾氣瞬間最大氫濃度關(guān)系曲線圖

從上圖可以看出，隨著尾排閥開啟時間的增加，尾氣氫濃度瞬間最大值也在增加。為了排出電堆內(nèi)的氮?dú)?，必須要有氫氣排出才能帶出雜質(zhì)氣體。所以尾排閥開啟時長關(guān)系到氫氣的利用率和雜質(zhì)排出的效果。尾排閥的開啟時長必須要做一個取舍，即又要保證雜質(zhì)氣體的排出又要保證氫氣盡可能少地排出，以提高氫氣利用率和整車安全性。

（2）固定相同電密下的尾排閥開啟時長，調(diào)整尾排閥開啟的頻率。每個功率時間段統(tǒng)計(jì)300s，用來計(jì)算氫氣的消耗量和氫氣的利用率。其中試驗(yàn)1為低排氫頻率，試驗(yàn)2為高排氫頻率。

圖5 不同排氫頻率下的氫耗曲線

圖6 不同尾排頻率下的氫氣利用率

圖7 不同排氫頻率下氫耗與氫氣利用率變化曲線

實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，相同功率下尾排頻率增加時，氫氣消耗量增加，氫氣利用率降低，尤其是在低電密下，這種表現(xiàn)最為明顯。試驗(yàn)2的氫耗比實(shí)驗(yàn)1的氫耗最大高11.9%，氫氣利用率最大低了 13.3%。所以尾排頻率直接影響到氫氣的利用率，需要合理地設(shè)定排氫頻率。

（3）關(guān)閉尾排閥，讓PEMFC在600mA/cm2的電流密度下長時間工作，試驗(yàn)結(jié)果如下圖。

圖8 尾排閥長關(guān)PEMFC電壓變化曲線

在該電流密度下，PEMFC在開始過程可以正常地運(yùn)行，當(dāng)運(yùn)行一段時間后其整體電壓開始下降，其中，單體最低電壓下降得最為明顯。直到單體電壓觸發(fā)系統(tǒng)保護(hù)閾值。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，如果長時間不進(jìn)行尾氣排放，PEMFC將無法穩(wěn)定地工作。為了使PEMFC正常運(yùn)行，必須要對陽極內(nèi)的雜質(zhì)定期排出。

圖9 實(shí)車用數(shù)據(jù)

分析：（1）不能單純地為了提高氫氣利用率和整車安全性而不進(jìn)行尾氣排放；（2）隨著系統(tǒng)功率的增加，尾排頻率也要增加；（3）尾排閥開啟時長既要確保把水和氮?dú)馀懦觯惨M可能降低尾排的濃度。

最后通過試驗(yàn)，得到一組尾排頻率，尾排閥開啟占空比，該處開啟占空比是尾排開啟時長與尾排間隔的比值，以及尾排頻率補(bǔ)償量。該組數(shù)據(jù)可使PEMFC長時間正常穩(wěn)定的運(yùn)行，已在整車上穩(wěn)定運(yùn)行60000km以上。

5 結(jié)論

質(zhì)子交換膜燃料電池是一種清潔高效的發(fā)電裝置，具有廣泛的應(yīng)用前景。而陽極尾排閥的控制直接影響到電池的性能和壽命。本文給出的尾排頻率和開啟占空比具有一定的合理性，該策略不僅能夠保持電池的性能，而且在一定程度上可以增加整車的續(xù)航里程，同時又減少尾氣中氫氣的濃度，提高了安全性。