船用PEMFC發(fā)電模塊高原運(yùn)行特性研究

胡 旦，張夢(mèng)元，張 望

船用PEMFC發(fā)電模塊高原運(yùn)行特性研究

胡 旦，張夢(mèng)元，張 望

（武漢氫能與燃料電池產(chǎn)業(yè)研究院，武漢 430074）

船用燃料電池發(fā)電模塊陰極側(cè)受海拔環(huán)境影響較大，本文主要從理論上分析了陰極側(cè)過量系數(shù)及反應(yīng)壓力對(duì)燃料電池性能的影響，對(duì)陰極側(cè)主要元件空壓機(jī)的性能進(jìn)行了標(biāo)定及仿真分析，進(jìn)而優(yōu)化控制參數(shù)，并通過試驗(yàn)對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。

船用燃料電池 高海拔 過量系數(shù) 壓力 效率

0 引言

水冷型質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)發(fā)電裝置是目前應(yīng)用最為廣泛的燃料電池之一，其陰極采用高轉(zhuǎn)速空壓機(jī)供給空氣。研究及試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明燃料電池的發(fā)電效率、單電壓、以及壽命等性能對(duì)供氣壓力、反應(yīng)氣體過量系數(shù)、環(huán)境溫度、濕度等因素十分敏感，而地球上不同地區(qū)的環(huán)境溫度、濕度、空氣的中氧氣的濃度、分壓等不盡相同，特別是高海拔地區(qū)空氣稀薄，溫度、濕度、氧濃度與低海拔地區(qū)差距巨大，燃料電池有可能面臨欠氣、效率低、淹水等問題。

本文針對(duì)高海拔環(huán)境下船用燃料電池發(fā)電裝置運(yùn)行特性進(jìn)行研究，提出了相對(duì)應(yīng)的改進(jìn)策略，為裝置的環(huán)境通用性提供試驗(yàn)支撐。

1 燃料電池環(huán)境敏感性分析

1.1 高海拔環(huán)境參數(shù)

本文主要針對(duì)海拔4000 m與海拔0 m地區(qū)燃料電池的運(yùn)行特性進(jìn)行分析，表1給出了兩種海拔下的具體環(huán)境參數(shù)。

表1 不同海拔高度的環(huán)境參數(shù)[1]

由于發(fā)電模塊采用水冷控溫的方式，模塊穩(wěn)定運(yùn)行時(shí)電堆內(nèi)的溫度基本保持為入口60℃，出口65℃，受環(huán)境溫度影響較??；而空氣回路（陰極）空壓機(jī)流量及升壓比受大氣環(huán)境壓力影響較大。

1.2 反應(yīng)壓力敏感性分析

對(duì)于燃料電池額定運(yùn)行工況，由能斯特方程可得不同壓力下其理想電動(dòng)勢(shì)可表示為：

燃料電池中還存在多種類型的電壓損耗，如活化極化、濃度極化、歐姆損耗等，且大部分損耗主要發(fā)生在陰極，可獲得燃料電池極化曲線足夠精確的近似模型[2]。

以1 atm環(huán)境條件為參考標(biāo)準(zhǔn)，假設(shè)模塊運(yùn)行時(shí)具有相同的表壓，發(fā)電模塊額定工況下得到電壓變化與環(huán)境壓力變化的曲線圖，如圖1所示，海拔4 000 m時(shí)絕對(duì)氣壓下降約38 kPa，相同的電流密度和工作溫度條件下，燃料電池性能理論會(huì)下降15 mV左右。

圖1 壓力變化vs電壓變化@1atm_base

1.3 空氣過量系數(shù)敏感性分析

則變化趨勢(shì)如圖3所示：

圖3 濃度極化損耗-過氧比

理論上隨著過氧比的升高，燃料電池的損耗減小，當(dāng)過氧比大于3.0之后損耗改善較小，可忽略不計(jì)，當(dāng)過氧比小于1.5～2.0時(shí)，電堆濃度損耗隨著過氧比的減小急劇惡化。另一方面，過氧比的提高意味著空壓機(jī)功率消耗提高，以及過大的過量系數(shù)會(huì)造成燃料電池質(zhì)子交換膜水含量降低，反而影響電堆性能，所以在過氧比的選取上需要綜合考慮效率與電池壽命的影響。

2 燃料電池高海拔性能分析

2.1 空壓機(jī)高海拔性能

圖4 海拔4 000 m環(huán)境空壓機(jī)流量壓力特性曲線

海拔4 000 m空壓機(jī)的流量特性見圖4。除了流量，另一方面空壓機(jī)的功耗作為主要的輔機(jī)功耗對(duì)燃料電池發(fā)電模塊的輸出效率有著比較大的影響，事實(shí)上空壓機(jī)的做工過程可以等效為絕熱壓縮過程，其功率可由下式表達(dá)：

其中為空氣比熱容比（絕熱系數(shù)），為壓縮機(jī)級(jí)數(shù)。式（8）表明空壓機(jī)功耗是由升壓比和轉(zhuǎn)速共同決定的，所以在高海拔地區(qū)升壓比過大反而會(huì)造成空壓機(jī)的功耗更大。

根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到擬合參數(shù)如表1，擬合結(jié)果如圖5所示，通過低海拔與高海拔試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢驗(yàn)，理論數(shù)據(jù)與實(shí)際功率數(shù)據(jù)較為貼合，表明式（8）可以作為空壓機(jī)功率預(yù)測(cè)模型。從式（8）及圖4可以看出高海拔地區(qū)空壓機(jī)的升壓比更大，所以功耗更大。

表2 擬合系數(shù)

圖5 空壓機(jī)功率擬合

2.2 燃料電池高海拔運(yùn)行特性

2.2.1 燃料電池發(fā)電模塊運(yùn)行參數(shù)

高原環(huán)境下模塊陰極側(cè)過量系數(shù)及壓力隨電流的變化如圖6、圖7所示，過量系數(shù)2.0～4.5，隨著電流的增大逐漸減小，保持在2.0以上，同時(shí)兩種狀態(tài)絕對(duì)壓差恒定在37 kPa左右。

圖6 陰極過量系數(shù)

圖7 陰極工作壓力

2.2.2 燃料電池發(fā)電模塊運(yùn)行特性

電堆質(zhì)子交換膜的干濕程度對(duì)電堆的性能和壽命都有比較大的影響，在不發(fā)生堵水的情況下，更大的濕度會(huì)帶來更大的反應(yīng)活性。在電堆運(yùn)行過程中陰極側(cè)大量反應(yīng)生成水除了隨空氣直接排入大氣中，同時(shí)還會(huì)通過質(zhì)子交換膜反滲透到陽極側(cè)，這些水少部分隨脈沖尾排排放，另外主要通過管路上的分水器排出，因此通過測(cè)量排水閥的開啟頻次，記錄模塊累計(jì)分水時(shí)長可以作為一種較為有效的電堆干濕程度的表征方法。在2.2.1節(jié)中對(duì)應(yīng)的參數(shù)狀態(tài)下，燃料電池發(fā)電模塊額定工況下陽極側(cè)分水狀態(tài)如圖8所示。

圖8 額定功率分水曲線

對(duì)比額定工況下相同模塊、相同運(yùn)行溫度下的分水頻率，模塊在低海拔地區(qū)運(yùn)行時(shí)分水量卻略多于高海拔環(huán)境下的狀態(tài)，這主要是因?yàn)楦吆０蔚貐^(qū)空氣濕度較低。

圖9 極化曲線

圖9中的極化曲線所體現(xiàn)的，可以看到高海拔地區(qū)電堆平均電壓較低海拔地區(qū)電堆平均電壓會(huì)降低15～35 mV左右。

圖10 發(fā)電效率

在兼顧壓力、過量系數(shù)、以及系統(tǒng)整體發(fā)電效率的情況下得到圖10，發(fā)電模塊全功率段的運(yùn)行效率，采用氫氣低熱值計(jì)算，同時(shí)輸出功率是除去了空壓機(jī)等輔機(jī)功耗的凈輸出功耗，從圖上看出高海拔工況下，模塊發(fā)電效率在48.9～62.4%，比低海拔工況下低3%～5%左右。

3 結(jié)論

高海拔地區(qū)空氣壓力低，主要影響燃料電池陰極側(cè)的過量系數(shù)、工作壓力，以及空壓機(jī)功耗等方面影響較大，本文對(duì)燃料電池進(jìn)行陰極側(cè)壓力和過氧比的敏感性分析，對(duì)壓力變化及過氧比變化的影響權(quán)重進(jìn)行了對(duì)比，通過將過量系數(shù)確定在2.1左右，保持工作表壓與低海拔地區(qū)一致，獲得了燃料電池48.9～62.4%的凈輸出效率，為裝置的環(huán)境通用性提供重要數(shù)據(jù)支撐。

[1] 苗宇航, 邢路, 程文君, 等. 空冷型PEMFC高海拔地區(qū)運(yùn)行特性研究[J]. 電源技術(shù), 2021, 45(8): 1023-1026.

[2] 詹姆斯·拉米尼, 安德魯·迪克斯. 燃料電池系統(tǒng): 原理·設(shè)計(jì)·應(yīng)用[M]. 朱紅, 譯. 北京: 科學(xué)出版社, 2006.

[3] 陳駿. 車用燃料電池系統(tǒng)高海拔運(yùn)行研究[J]. 上海汽車, 2017(2): 3-5.

[4] 秦敬玉, 毛宗強(qiáng), 徐景明, 等. 過量空氣系數(shù)對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)輸出特性的影響[J]. 汽車工程, 2004, 26(4): 379-381, 385.

Study on the operation characteristics of PEMFC at high altitude

Hu Dan, Zhang Mengyuan, Zhang Wang

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

TM310

A

1003-4862（2023）11-0036-03

2022-11-28

胡旦（1988-），男，工程師，研究方向：燃料電池發(fā)電模塊控制技術(shù)。E-mail：hd_auto@163.com