變載速率對(duì)PEMFC電堆動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

張曉鵬,樸世文,鐘 兵,溫凱凱

[國(guó)家汽車質(zhì)量檢驗(yàn)檢測(cè)中心(襄陽(yáng)),湖北 襄陽(yáng) 441004]

燃料電池在環(huán)保、能量轉(zhuǎn)化效率、功率密度、快速加氫和可回收利用等方面具有優(yōu)勢(shì)。在全球能源脫碳加氫的形勢(shì)下,燃料電池汽車日益受到人們的關(guān)注,特別是在長(zhǎng)續(xù)駛里程和重型載貨方面(如燃料電池遠(yuǎn)程公交和物流車等)具有優(yōu)勢(shì)[1-3]。成本和耐久性是制約燃料電池大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的兩大因素[4]。隨著催化劑鉑載量的下降及零部件的規(guī)?；a(chǎn),燃料電池成本逐漸下降,因此,耐久性逐漸成為人們研究的重點(diǎn)。燃料電池系統(tǒng)的啟動(dòng)及變載,均會(huì)對(duì)電堆的性能和壽命產(chǎn)生影響[6],在適當(dāng)?shù)碾妷悍秶鷥?nèi)恒流運(yùn)行,對(duì)燃料電池的壽命最為有利[5]。在變載過(guò)程中,電堆流道的氣體供應(yīng)和反應(yīng)生成水的排出,會(huì)對(duì)電堆的內(nèi)部催化劑層及擴(kuò)散層產(chǎn)生影響,在性能上表現(xiàn)為電堆輸出電壓出現(xiàn)波動(dòng)[7],電壓不能及時(shí)響應(yīng),電堆內(nèi)部單體電壓一致性變差。

本文作者針對(duì)50 kW質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)電堆,進(jìn)行不同速率的動(dòng)態(tài)加載和卸載實(shí)驗(yàn),對(duì)輸出電壓響應(yīng)時(shí)間及單體一致性進(jìn)行分析,以期為燃料電池系統(tǒng)集成控制中加載速率的設(shè)置與單體一致性之間的平衡提供參數(shù),保證動(dòng)態(tài)響應(yīng)良好,避免大幅度加載造成電堆性能的不可逆衰減。

1 實(shí)驗(yàn)

1.1 燃料電池電堆

實(shí)驗(yàn)樣品為自主組裝金屬雙極板電堆,有效面積(電極面積)為270 cm2,由288片單體電池組成,額定功率50 kW,電堆電壓巡檢(CVM)為一片一檢,最高運(yùn)行溫度為75℃,質(zhì)子交換膜最大壓差為50 kPa。

1.2 測(cè)量?jī)x器

實(shí)驗(yàn)采用Kewell FCTS-S-50燃料電池電堆測(cè)試系統(tǒng)(合肥產(chǎn))。氫氣流量控制器精度為0.8%讀數(shù)(RD)+0.2%滿量程(FS),響應(yīng)時(shí)間為100ms。溫度傳感器精度≤±0.5%。負(fù)載精度:電流精度為0.1%FS+5數(shù)顯分辨率(dgt),響應(yīng)時(shí)間≤10ms;電壓精度為0.1%FS+5dgt,響應(yīng)時(shí)間≤10 ms,功率分辨率為0.01 kW。

1.3 測(cè)試操作

1.3.1 活化

首先,將電堆的氫氣、空氣、冷卻水及CVM接口與測(cè)試臺(tái)連接;然后,將冷卻水入堆溫度設(shè)置為65℃,氫氣、空氣露點(diǎn)溫度分別設(shè)置為50℃、60℃。為保證充分活化,將氫氣、空氣過(guò)量比分別設(shè)置為2.0、2.5,氫氣、空氣流量分別設(shè)置為0.013 9m3/s、0.041 8m3/s。 以10 A/s的速率將功率加載至40 kW,穩(wěn)定運(yùn)行60 min,對(duì)電堆進(jìn)行活化。

1.3.2 不同變載速率對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響

電堆在變載過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)局部欠氣,導(dǎo)致性能不可逆衰減。為了盡可能排除這種衰減對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果產(chǎn)生的影響,將氫氣、空氣過(guò)量比分別設(shè)置為2.0、2.5。測(cè)試過(guò)程中,氫氣、空氣流量隨負(fù)載變化而改變,加載前,先提升氣體流量至設(shè)定值,卸載時(shí),先降低負(fù)載功率,再降低氣體流量至設(shè)定值。電堆出口溫度設(shè)置為65℃,將電子負(fù)載以10 A/s的速率加載至電流密度為0.2 A/cm2(電流為54 A,對(duì)應(yīng)的氫氣、空氣流量分別為0.003 3 m3/s、0.010 0 m3/s),穩(wěn)定運(yùn)行10 min后,分別以20 A/s、30 A/s和40 A/s的加載速率將電流密度加載至0.6 A/cm2(電流為162 A,對(duì)應(yīng)的氫氣、空氣流量分別為0.011 3 m3/s、0.033 9m3/s),穩(wěn)定運(yùn)行10min后,以相同的卸載速率卸載至電流密度為0.2 A/cm2(電流為54 A),并穩(wěn)定運(yùn)行10min,然后停機(jī)。記錄整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程中的電流、電壓和電堆的單體電壓,以及氫氣、空氣流量和壓力。

2 結(jié)果與討論

2.1 不同變載速率下電壓響應(yīng)分析

電堆不同變載速率下的電流變載曲線見(jiàn)圖1。電堆電流首先加載至54 A,穩(wěn)定運(yùn)行10 min后,按照不同加載速率(20 A/s、30 A/s和40 A/s)加載至162 A,穩(wěn)定運(yùn)行10 min,按照相同卸載速率卸載至54 A,并穩(wěn)定運(yùn)行10min。

圖1 不同變載速率下電堆的電流變載曲線Fig.1 Current variable loading curves of stack at different variable loading rates

圖1將整個(gè)變載過(guò)程分為AB、BC、CD段,然后對(duì)AB段與CD段電堆的電壓響應(yīng)進(jìn)行分析,同時(shí)對(duì)B點(diǎn)與D點(diǎn)的單體電壓進(jìn)行瞬態(tài)分析,研究在不同變載速率下,單體電壓的一致性。

在20A/s、30 A/s和40A/s的加載和卸載速率下,電堆電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)見(jiàn)圖2。

圖2 不同變載速率下電堆的電壓響應(yīng)Fig.2 Voltage response of the stack at different variable loading rates

將電壓響應(yīng)過(guò)程分為t1、t2兩段:t1段為電流開(kāi)始變載至電流達(dá)到設(shè)定值所需的時(shí)間,對(duì)應(yīng)電壓開(kāi)始響應(yīng)至電壓達(dá)到最高或最低值,整個(gè)過(guò)程為保證電流達(dá)到設(shè)定值,電壓呈突然下降或上升的趨勢(shì),因此稱t1段為“突變時(shí)間”;t2段為電流達(dá)到設(shè)定值后,隨著電堆內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)的平衡,電壓逐漸恢復(fù)到穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下電壓值所需的時(shí)間,因此將電壓從最低值或最高值達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間t2稱為“穩(wěn)定時(shí)間”。

從圖2可知,隨著加載速率的增加,t1段逐漸縮短而t2段逐漸增加,且相同的速率下,加載、卸載過(guò)程t1段區(qū)別不大。這主要是因?yàn)?t1段對(duì)應(yīng)的是負(fù)載的加載和卸載過(guò)程,由臺(tái)架設(shè)置的加載速率決定,在此階段,電流按設(shè)定速率線性加載或卸載至設(shè)定電流值,同時(shí),電壓達(dá)到最低值或最高值(加載或卸載中電壓的最高值或最低值為U1,變載結(jié)束后電壓恢復(fù)至穩(wěn)定值U2)。

加載時(shí),電堆需要向外提供更多的電流,即需要更多的氫氣、氧氣參與反應(yīng),產(chǎn)生更多的電荷移動(dòng),積累到雙電荷層,而實(shí)際電荷的轉(zhuǎn)移速度要快于氫氣、氧氣的傳輸,因此,加載的瞬間,氣體傳遞速率小于電子傳遞速率,催化劑表面處于欠氣狀態(tài),會(huì)引起燃料電池出現(xiàn)短期饑餓現(xiàn)象,即反應(yīng)氣供應(yīng)不能維持所需的輸出電流[8]。此外,由于輸出電流瞬間增加,會(huì)導(dǎo)致陽(yáng)極的質(zhì)子傳輸增加、短時(shí)失水,電堆內(nèi)阻增加,使輸出電壓瞬間降低。卸載時(shí),電流突然下降,在反擴(kuò)散作用下,陰極產(chǎn)生的多余的水可在一定程度上緩解陽(yáng)極的失水狀態(tài),使電極得到良好的潤(rùn)濕,內(nèi)阻降低。此外,電流下降后,空氣和氫氣供應(yīng)過(guò)量,導(dǎo)致電壓出現(xiàn)過(guò)沖現(xiàn)象,而后恢復(fù)平衡[9]。

不同變載速率下電壓差值ΔU及電堆響應(yīng)時(shí)間t1、t2的結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 不同變載速率下ΔU(U1-U2)及t1、t2的變化Table 1 Variation of ΔU(U1-U2)andt1、t2 at differentvariable loading rates

從表1可知,隨著加載速率的增加,ΔU和t2逐漸增加,而t1逐漸減小。這是由于加載速率提升后,氣體傳輸與電子傳輸?shù)乃俾什钸M(jìn)一步拉大,使催化劑表面的欠氣和陽(yáng)極膜干燥的程度進(jìn)一步加劇,從而導(dǎo)致ΔU和t2進(jìn)一步增大。t1為變載指令下達(dá)至電流達(dá)到設(shè)定值的時(shí)間,與臺(tái)架下發(fā)的變載速率相關(guān),變載速率越快,t1越小。卸載過(guò)程中反應(yīng)物質(zhì)相對(duì)過(guò)量,陰極反擴(kuò)散作用對(duì)陽(yáng)極的失水狀態(tài)給與一定程度的緩解,ΔU和t2的變化沒(méi)有明顯的規(guī)律。

2.2 不同變載速率下電堆單體一致性分析

分別對(duì)加載及卸載完成的瞬間(圖1中B點(diǎn)及D點(diǎn))的電壓巡檢結(jié)果進(jìn)行分析,結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同加載速率下B點(diǎn)和不同卸載速率下D點(diǎn)的瞬時(shí)CVM結(jié)果Fig.3 Instant cell voltage monitor(CVM)results of point B at different loading rates and point D at different unloading rates

從圖3(a)-(c)可知,隨著加載速率的提升,電堆的平均單體電壓降低,單體電壓的均方差(MSE)升高,電堆內(nèi)氫氣和空氣的供應(yīng)更加不均勻,陰極產(chǎn)生的水也無(wú)法及時(shí)排出,因此造成了電壓下降及電堆單體一致性變差[7]。從圖3(d)-(f)可知,卸載速率對(duì)電堆單體平均電壓沒(méi)有明顯的影響,單體電壓的MSE也沒(méi)有明顯的變化。這是由于在相同氫氣和空氣過(guò)量比的條件下,發(fā)生卸載時(shí),空氣和氫氣的過(guò)量系數(shù)基本相同,同時(shí)陰極產(chǎn)生的水是充足的,陰極側(cè)生成水的反擴(kuò)散效應(yīng)與卸載速率無(wú)關(guān)。

對(duì)B、D兩點(diǎn)的瞬時(shí)單體電壓進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析,再對(duì)計(jì)算的MSE值進(jìn)行分析,結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同加載、卸載速率下瞬時(shí)CVM的MSEFig.4 Mean squared error(MSE)of the instant CVM at different loading and unloading rates

從圖4可知,在加載過(guò)程中,隨著加載速率的升高,單體電壓的MSE逐漸升高,表明加載速率越高,單體一致性越差,而卸載過(guò)程則無(wú)明顯規(guī)律。

3 結(jié)論

本文作者通過(guò)對(duì)活化后的50 kW PEMFC電堆以20 A/s、30 A/s和40 A/s速率進(jìn)行變載,分析電堆的電壓響應(yīng)以及瞬時(shí)單體電壓一致性。

實(shí)現(xiàn)結(jié)果表明:隨著加載速率的提升,電堆電壓突變時(shí)間t1縮短,而穩(wěn)定時(shí)間t2延長(zhǎng);加載過(guò)程中,最低電壓與平衡后穩(wěn)定電壓之差ΔU隨著加載速率的升高而升高;隨著加載速率的提升,電堆瞬時(shí)單體電壓平均值降低,單體電壓MSE升高,對(duì)應(yīng)電堆單體電壓一致性變差;電堆在卸載過(guò)程中,電壓的穩(wěn)定時(shí)間t2無(wú)明顯規(guī)律,電堆平均電壓及單體電壓一致性也與卸載速率無(wú)明顯相關(guān)性。

在開(kāi)發(fā)電堆時(shí),流道設(shè)計(jì)及氣體擴(kuò)散選材應(yīng)考慮變載過(guò)程中的氣體傳輸及水?dāng)U散。在系統(tǒng)集成控制方面,應(yīng)考慮動(dòng)態(tài)響應(yīng)與單體一致性之間的平衡,既要保證有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng),同時(shí)也要監(jiān)控單體電壓,避免大幅度加載對(duì)電堆產(chǎn)生不可逆的性能衰減。