空冷型PEMFC電堆輸出特性研究

張 敬,龍博林,王 輝,羅國安

(湖南理工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院,湖南 岳陽 414006)

0 引言

根據(jù)冷卻方式的不同,質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電堆可分為空氣冷卻和循環(huán)水冷卻兩種類型.空冷型電堆相比于水冷型電堆,工作溫度低,自身功耗小,配套集成系統(tǒng)中不需要加濕器、水泵、空壓機(jī)等輔助設(shè)備,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單且成本較低.因此,空冷型PEMFC在中小功率備用電源、分布式發(fā)電和便攜式電源等領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用.研究表明,空冷型燃料電池的輸出性能受到空氣流量、電堆工作溫度、尾氣排放周期與時間等參數(shù)影響[1～7].然而空冷燃料電池的電堆工作溫度與空氣流量、尾氣排放周期是相互影響,相互耦合的.因此,要使空冷燃料電池在相應(yīng)負(fù)載工況下輸出較高功率,電池的高效熱管理變得至關(guān)重要.文[8]對質(zhì)子交換膜燃料電池的陽極脈沖排放進(jìn)行了動態(tài)特性研究,通過改變陽極進(jìn)氣壓力與電池工作溫度等條件,分析電池的尾氣排放周期、電池工作溫度與電池性能之間的聯(lián)系,得到脈沖排放的最佳方案.由于很難精確建立電堆輸出功率與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速、電堆溫度、脈沖排放周期等參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,以往研究都聚焦于溫度特性,期望找到不同負(fù)載電流下電堆的最優(yōu)工作溫度,從而對電堆的溫度進(jìn)行控制.文[9～12]研究了空冷自增濕PEMFC的溫度與輸出性能的關(guān)系,通過控制PEMFC電堆工作在最優(yōu)溫度范圍,以實現(xiàn)PEMFC輸出性能達(dá)到最佳.但在實際過程中,最優(yōu)工作溫度其實依賴于環(huán)境溫濕度以及初始轉(zhuǎn)速等條件,實際工況改變后最優(yōu)溫度也發(fā)生了變化.而且由于溫度控制的時滯性,相應(yīng)的控制策略會造成轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)的振蕩.在實際電堆應(yīng)用中,不能單一地進(jìn)行最優(yōu)溫度控制,需要考慮到風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)過程中PEMFC的輸出性能變化,進(jìn)而確定風(fēng)扇轉(zhuǎn)速控制方法.本文通過實驗手段尋找空冷燃料電池電堆在不同負(fù)載電流下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速臨界值.在臨界轉(zhuǎn)速下,電堆系統(tǒng)基本達(dá)到熱平衡,總體獲得較高的穩(wěn)定輸出功率.這將為后續(xù)在空冷燃料電池電堆的工程應(yīng)用中針對風(fēng)扇設(shè)計智能控制算法,減少系統(tǒng)能耗、增大輸出功率提供有益參考.

以5 kW空冷燃料電池系統(tǒng)為研究對象,進(jìn)行不同負(fù)載電流下的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速階躍實驗,得到PEMFC的輸出動態(tài)特性.為了減少外部環(huán)境變量對電堆運(yùn)行時的影響,實驗都在相同的環(huán)境溫濕度、相同的氫氣進(jìn)氣壓力、相同的尾氣排放周期和時間下進(jìn)行,采集電堆溫度與電堆輸出功率變化,分析風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對電堆溫度和電堆輸出性能的影響.

1 空冷型燃料電池實驗平臺

實驗平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示.平臺使用空冷型PEMFC電堆,由130片單電池組成,額定功率為5 kW,幾何尺寸為610 mm×180 mm×240 mm,電堆活化面積100 cm2,輸出電流范圍為0～85 A,空氣供給壓力為大氣壓力,實驗采用固定H2壓力為150 kPa,輸出電壓范圍為55～118 V.四個48 V/0.65 A的風(fēng)扇安裝在電堆側(cè)面,通過PLC進(jìn)行PWM控制,為電堆提供反應(yīng)所需要的O2,同時為電堆散熱.電子負(fù)載采用WCL 488-100-1000-12K,額定功率為12 kW.鋰電池采用36 Ah/70.4 V規(guī)格電池組,起到系統(tǒng)啟動與補(bǔ)償燃料電池輸出的作用.電堆溫度則通過60根熱電偶經(jīng)過Agilent 34970A溫度采集儀進(jìn)行采集.此外,PLC控制器實時采集電堆電壓V、電堆電流I、電堆入口壓力P等系統(tǒng)參數(shù),同時實現(xiàn)對排氣閥、進(jìn)氣閥等器件的控制,保證系統(tǒng)正常工作.

圖1 PEMFC實驗平臺結(jié)構(gòu)

2 空冷型PEMFC風(fēng)扇轉(zhuǎn)速階躍實驗

2.1 實驗方法

在本次實驗中,采用60根熱電偶,每3根按上、中、下均勻分布,橫向等間距地布置在20片電池內(nèi)部,具體分布情況如圖2所示.在同一環(huán)境溫度22 ℃、濕度68% RH的條件下,將尾氣排放周期與時間設(shè)置為240 s和2 s,設(shè)置電堆入口氫氣壓力為150 kPa.完成以上初始參數(shù)設(shè)置后,將電子負(fù)載工作設(shè)置為恒流模式,啟動燃料電池測試平臺,打開電子負(fù)載,向電堆通入氫氣并使風(fēng)扇低轉(zhuǎn)速運(yùn)行,給電堆預(yù)熱,達(dá)到電堆充分活化的效果.本次實驗分為25 A、30 A、35 A、40 A四個實驗組,研究在不同負(fù)載工況下電堆溫度與進(jìn)氣量對電堆性能的影響.

圖2 PEMFC電堆實驗平臺

調(diào)節(jié)電子負(fù)載大小為25 A,打開溫度采集儀,開始進(jìn)行電堆溫度和輸出特性測試.風(fēng)扇初始轉(zhuǎn)速為800 rpm,每隔4 min轉(zhuǎn)速增加300 rpm,觀察并采集電堆溫度變化與電堆輸出功率等參數(shù),當(dāng)電堆輸出電壓與輸出功率達(dá)到穩(wěn)定后,停止電堆加載,加大風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,將電堆溫度降低至35 ℃左右,然后重新開始其他組實驗,剩下三組實驗步驟均與25 A實驗組一致.為了防止初始轉(zhuǎn)速過低使得電堆升溫過快,從而導(dǎo)致PEMFC嚴(yán)重脫水,影響其性能和使用壽命,根據(jù)負(fù)載電流的不同,設(shè)置相應(yīng)的初始轉(zhuǎn)速,具體操作參數(shù)見表1.

表1 實驗參數(shù)

2.2 結(jié)果與分析

2.2.1 電堆溫度變化分析

在上述實驗方法下,進(jìn)行了25 A、30 A、35 A、40 A四組實驗,對電堆進(jìn)行溫度采集,然后對相鄰兩片單電池即6組熱電偶數(shù)據(jù)取平均,得到不同負(fù)載電流下的10條電堆內(nèi)部溫度變化曲線,如圖3所示.可以看出,電堆溫度變化整體趨勢一致,溫度先增大再減小最后趨于穩(wěn)定.溫度曲線成階段性弧形下降,代表一次風(fēng)扇轉(zhuǎn)速階躍.此外,隨著負(fù)載電流的增大,電堆工作溫度也逐漸增高,即電堆溫度與負(fù)載電流成正比.

從圖3(a)可以看出,加入電子負(fù)載后,電堆開始帶載工作,內(nèi)部開始發(fā)生電化學(xué)反應(yīng),這一階段,電堆的產(chǎn)熱大于風(fēng)扇散熱.結(jié)合圖4(a)發(fā)現(xiàn),在250～800 s區(qū)間,電堆溫度過高,電堆性能受到影響,電壓從上升轉(zhuǎn)為下降.而風(fēng)扇轉(zhuǎn)速階躍增加到一定程度后,散熱強(qiáng)于反應(yīng)產(chǎn)熱,溫度開始下降.800 s后,轉(zhuǎn)速經(jīng)過4次遞增達(dá)到1700 rpm,盡管溫度一直下降,溫度下降趨勢卻越來越平緩,最終在1750 s后溫度趨于穩(wěn)定.其原因是,進(jìn)氣量不斷增加使得電堆反應(yīng)產(chǎn)熱增加,所以即使散熱強(qiáng)度增大,在臨界轉(zhuǎn)速后系統(tǒng)基本達(dá)到熱平衡,溫度曲線也越來越平緩.

2.2.2 電堆功率與溫度分析

經(jīng)過四組實驗后,結(jié)合圖3和圖4可以發(fā)現(xiàn),電堆功率受到溫度與進(jìn)氣量的耦合影響,整體趨勢基本一致.在電堆帶載初期,0～250 s之間,提供初始低轉(zhuǎn)速,溫度開始升高,電堆活化特性增強(qiáng),于是出現(xiàn)了電堆功率的峰值時刻.但由于轉(zhuǎn)速較低、電堆溫度過高,導(dǎo)致電堆內(nèi)部質(zhì)子交換膜開始脫水,無法維持電堆峰值功率,功率開始持續(xù)下降.隨著變轉(zhuǎn)速實驗的進(jìn)行,進(jìn)氣量增加使得電堆工作溫度下降,質(zhì)子交換膜活化特性降低,但這時進(jìn)氣量的增加提高了電堆電化學(xué)反應(yīng)總量,功率曲線緩慢回升,說明帶載后期進(jìn)氣量對電堆輸出性能起主要影響.

圖3 不同負(fù)載電流下的溫度變化曲線

圖4 不同負(fù)載電流下的功率和溫度變化

分析圖4結(jié)果可知,在25 A實驗過程中,電堆達(dá)到最高溫度62 ℃,出現(xiàn)最低功率1700 W,隨著風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增大,由于空氣進(jìn)氣量的增加和氫氣流量的充足,功率迅速爬升,最終達(dá)到2100 W,功率波動范圍達(dá)到將近400 W.當(dāng)負(fù)載電流為30 A時,功率波動將近300 W.隨著負(fù)載電流的增加,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加,功率波動范圍逐漸減小,電堆功率回升明顯變緩.其原因是,在H2進(jìn)氣壓力保持不變條件下,風(fēng)扇轉(zhuǎn)速和負(fù)載電流增加后,輸出性能可能受到氫氣進(jìn)氣流量的影響,電化學(xué)反應(yīng)所需空氣進(jìn)氣量開始飽和,故電堆輸出功率回升較為緩慢.

將圖4(a)～4(d)進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn),實驗過程中對于任意負(fù)載電流均存在一個轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)使得PEMFC基本達(dá)到熱平衡,在這之后增大進(jìn)氣量,系統(tǒng)風(fēng)扇自身消耗功率增大,電堆輸出功率基本不變或回升緩慢.在這種情況下,電堆輸出功率的增加量基本被風(fēng)扇消耗掉,導(dǎo)致了系統(tǒng)自身功耗增大,系統(tǒng)效率降低.因此,針對不同負(fù)載電流都可以找到一個對應(yīng)的轉(zhuǎn)速臨界值,使得PEMFC達(dá)到熱平衡并輸出較高功率.相比于直接控制溫度,控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速在工程上更易實現(xiàn)且穩(wěn)定性更好.

3 結(jié)論

本文通過搭建空冷電堆測試平臺,在不同負(fù)載電流下,進(jìn)行風(fēng)扇轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)實驗,研究了進(jìn)氣量、電堆溫度與輸出性能的動態(tài)關(guān)系.主要結(jié)論如下:

(1) 電堆帶載初期,電堆功率主要受電堆溫度影響,電堆工作溫度逐漸升高之后,在散熱與電化學(xué)反應(yīng)需求的綜合因素下,電堆性能主要變?yōu)槭芸諝膺M(jìn)氣量的影響.

(2) 在陽極氫氣壓力與陰極進(jìn)氣增量一定的條件下,隨著負(fù)載電流的增加,反應(yīng)所需空氣進(jìn)氣量逐漸飽和,導(dǎo)致電堆輸出功率回升逐漸平緩.

(3) 在不同負(fù)載電流下,均存在一個轉(zhuǎn)速臨界點(diǎn)使得電堆達(dá)到熱平衡,并且輸出性能較優(yōu).