1kW 自呼吸PEMFC堆控制因素试验

张传升，陈凤祥，高昆鹏，周 苏

（1.同济大学 汽车学院，上海201804；2.山东建筑大学 信息与电气工程学院，山东 济南250101）

风冷式自呼吸质子交换膜燃料电池（proton exchange member fuel cell，PEMFC）阴极采用敞开式空气流场，通过风扇供应空气，这种强制对流方式一方面起到散热（或加热）作用，另一方面影响阴极端空气的湿度.因此，空气流量对温度和湿度都有重要的影响，而且电池性能往往低于外部加湿方式的燃料电池［1］.但是，由于在结构上省去了空气压缩机和水冷环，结构简单、体积小、重量轻，这类燃料电池较适用于移动电子设备电源和便携式应急电源，同时在低速运输工具方面（如电动自行车、场地车辆或作为增程器等）的应用潜力也不可忽视，具有重要的研究价值.

国内外研究多集中于质子交换膜自呼吸性能［2］和单片或者多片自呼吸燃料电池性能［3-7］，针对千瓦级电堆的研究鲜有报道.为更好地掌握风冷式自呼吸PEMFC堆的输入输出外特性和动态特性，本文对一款1kW 电堆的入口氢气压力和风扇转速进行了正交试验研究，分析了上述控制量对电堆输出电压的影响，相应结果可以用于验证这类电堆的机理模型，为完善电堆经验模型和相应的控制模型提供实验依据.

1 试验方案

1.1 试验平台

试验电堆为一款自增湿风冷式自呼吸PEMFC堆，72片单池串联，峰值功率为1.1kW，燃料为纯氢，氢气工作压力推荐值为150～165kPa，最高工作温度为65 ℃.4个风扇一方面保证反应所需的氧气量（空气量），另一方面则起到调节电堆温度的作用.单个风扇最高转速为4 800r·min-1，最大风量为3.12m3·min-1，最大电功率为12 W.氢气贮存在压力为15MPa的钢瓶，经过两级减压至氢气入口电磁开关阀，二级减压阀压力调节由手动操作.试验负载由一款12kW 电子负载提供.风扇转速由电子控制器采用脉冲宽度调制（PWM）调压法控制.环境温度为8 ℃，空气湿度为80%.平台结构如图1所示.

图1 测试平台结构Fig.1 Structure of test bench

1.2 试验指标、试验因素和水平

本文的试验指标选择燃料电池电堆输出电压.在应用场合，电堆内部的温度、湿度和反应气体浓度难以测量，本文的测试平台采用控制入口氢气压力改变阳极氢气浓度，控制风扇转速改变阴极氧气浓度、反应区域温度和湿度.因此，选择入口氢气压力和风扇转速为试验因素.测试工况点按照给定的极化曲线，分别在低、中、高电流区域选择两个工作点，即（2A 和5 A）、（10 A 和15 A）和（20 A 和22.5 A）.入口氢气压力因素水平在电堆推荐的工作压力范围附近，设定为3个水平值.转速因素水平根据不同的工作点分别选择相应的5个水平值，具体数值见表1.表中，P为入口氢气压力，kPa；n为风扇转速，r·min-1；λ为空气过量系数.

1.3 试验方法

每一个工况点的试验步骤为：①调节氢气减压阀至指定水平；②打开氢气进气截止阀；③调节风扇转速使其达到相应水平值；④按照相应工况点，设定电子负载电流值；⑤加载；⑥观察电堆输出功率，稳定后运行2min；⑦记录电堆输出功率、电压，风扇转速，氢气入口压力；⑧重新设定风扇转速至另一水平；⑨重复⑥～⑧步骤；⑩卸载，关闭氢气入口截止阀，关闭风扇；嘕调节氢气入口压力至另一水平，重复②～⑩步骤.整个试验过程需要90 次试验.

表1 氢气压力水平值与不同工况点风扇转速水平值Tab.1 Level-values of hydrogen pressure and fan rate at each work point

2 试验结果与处理

剔除6个工作点试验数据中的异常数据，然后计算每个因素各个水平的电压均值，并进一步计算相应的极差，计算得出的数据见表2～表7所示.从表中可以看出在低电流工作区氢气入口压力因素的极差较大（＞3）.将两个因素在全部工作点的均值分别绘制于图2和图3.

表2 2A 极差分析Tab.2 Range analysis of 2A

表3 5A 极差分析Tab.3 Range analysis of 5A

表4 10A 极差分析Tab.4 Range analysis of 10A

表5 15A 极差分析Tab.5 Range analysis of 15A

表6 20A 极差分析Tab.6 Range analysis of 20A

表7 22.5A 极差分析Tab.7 Range analysis of 22.5A

图2 风扇转速因素分析Fig.2 Analysis of fan rate factor

图3 氢气压力因素分析Fig.3 Analysis of hydrogen pressure

3 讨论

3.1 转速和过量系数的影响

从图2可以看出，各点大体呈现如下规律：风扇转速（即空气流量）存在一个使得电堆性能最优的极值，高于和低于该极值，电堆输出电压都会衰减.

为验证这一现象，在10A 工作点扩大风扇转速范围进行了验证，转速分别为369，452，533，1 768r·min-1，试验结果如图4所示.可以看出，在10A处，最优转速为水平1即686r·min-1.转速高于该值时，电压下降，1 768r·min-1时电压为最低，但降幅很小.转速低于转速最优值时，电压也下降，但转速低于533r·min-1时，电压急剧下降，而且无法稳定.从表1可知，每一工作点的风扇所提供的空气过量系数均大于23，表明作为反应气体的氧气量是充足的.因此，可以排除空气流量不足对电压变化的影响.

图4 10A 工作点的电压与转速试验曲线Fig.4 Curve of voltage and fan rate at 10A

风扇转速（空气流量）对电堆温度的影响，根据传热原理，可计算如下：

式中：T为电堆内部温度，K；Tamp为环境温度，K；Cp1，Cp2分别为电堆和空气热容，kJ·m-3·K-1；ncell为电堆单池数量，量纲一；i为电流，A；u为电堆输出电压，V；vair为空气流量，m3·s-1.

由式（1）可知，在相同的环境和工况条件下，入口空气湿度和电化学反应后水生成量不变，空气流量减少导致堆内温度升高，从而使得饱和蒸气压剧烈升高，致使阴极侧相对湿度急剧下降.阴极侧相对湿度下降会导致质子交换膜干燥，从而降低了膜中的质子传导率，以致造成电堆电压遽然下降.电压下降同时极化电势升高，使得内部产出更多热量，反过来使得温度进一步升高，形成正循环，电压不断下降.如果持续工作最终导致膜完全干燥成为绝缘体［8］，燃料电池停止工作.

与此相反，空气流量增大会导致温度下降，使得相对湿度具有增大趋势.但是，过多的空气流量会带走阴极侧的更多水分，阴极侧相对湿度具有降低的趋势.综合两者对于膜相对湿度的影响结果，可以看出较高空气流量使得膜相对湿度略有减少，导致电堆输出电压有所下降.

由此可见，风扇转速因素对于电堆性能具有决定性影响，考虑到高转速还会增加额外的功耗，因此风扇转速应该按照最优值进行控制.对160kPa压力下的最优转速和电流数据进行回归分析，得到最优转速计算公式：

式中：n＊为风扇最优转速，r·min-1；i为电流，A.拟合曲线如图5所示.

图5 160kPa条件下，风扇最优转速与电流拟合曲线Fig.5 Fitting curve of optimal fan rate and current at 160kPa

3.2 氢气压力影响

从图3中可以看出，在不同工作点，氢气压力对电堆电压的影响不同.在2A 和5A 低电流工况下，高水平氢气压力因素的电堆性能好于低水平氢气压力因素.高电流工况下，不同氢气压力因素的电堆性能无明显差异，如图6所示.由此，认为低电流工况时，氢气扩散在反应过程中具有重要影响，氢气入口压力提高加快了扩散速度，提高了电极反应表面的反应物浓度，从而表现为电池电动势升高.在高电流工况下，氢气压力因素对性能的影响减弱.由于，电堆采用定时排氢策略来解决阳极积水和积氮问题，高压工作条件下排氢消耗比低压大.因此，从提高电堆性能和降低氢耗考虑，自呼吸PEMFC 堆的氢气压力调节宜遵循低电流工况采用高水平氢压值而高电流工况采用低水平氢压值的原则.

图6 电堆电流—电压曲线Fig.6 Curve of stack voltage and current

4 结论

针对风冷式自呼吸PEMFC 堆，本文介绍了氢气压力和风扇转速对电堆电压影响的正交试验.试验数据分析表明，自呼吸自增湿风冷式PEMFC 堆每个工作点的空气流量存在一个使电池电压最高的优化值，高于该值电压会衰减缓慢，低于该值电压性能会迅速衰减；改变氢气端压力，电池电压在低电流工况时有一定差异，在高电流工况没有明显变化.造成该现象的原因在于空气流量高于极值时，空气会带走更多的水分，从而使得质子交换膜逐渐干燥，阻抗增大，电池电压衰减；空气流量低于极值时，空气流量带走的热量减少，使得阴极表面温度升高，阴极端相对湿度迅速减低，从而导致质子交换膜迅速干燥，电池电压衰减迅速.电堆风扇转速控制应该按照文中提出的最优值计算式进行控制以实现电堆最高效率.本文研究中环境温度和湿度未有改变，下一步的研究工作将通过控制环境温度和湿度来进一步研究电堆的性能.

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