中温质子交换膜燃料电池系统设计与实验

邓金山，许思传，常国峰，沈鹏远

（同济大学汽车学院，上海 201804）

温度是质子交换膜燃料电池(PEMFC)正常工作的重要条件之一。目前，PEMFC的操作温度通常在80℃以下，在此温度条件下运行的PEMFC在实际应用中存在一定的局限性，如电化学反应活性低、速度慢，催化剂易中毒，生成的液态水易造成水淹以及散热负担较重等。研究表明，随着工作温度的增加，燃料电池的性能会显著提高。因此，提高PEMFC的工作温度是提高其动力性能的一种可行方法[1-3]。另外，合理的系统设计，为PEMFC提供合适的工作条件，降低辅助系统功耗，也是提高PEMFC性能和降低成本的重要手段。

相对于低温PEMFC，提高PEMFC的工作温度，使其在中温乃至高温环境下工作，结合系统角度分析有以下优势：(1)提高电化学反应活性，加快反应速度，提高功率密度。提高温度从电化学动力学方面得到的电压增加远大于热力学方面可逆电压的下降。(2)当PEMFC以中高温条件运行时，生成的水有更多的部分以水蒸气形态排出，可减少在流场内的液态水含量，减轻电极水淹程度，电池的性能更易保持稳定。(3)增加PEMFC工作温度与环境温度的温差，减轻散热负担，提高余热利用价值。(4)减轻催化剂中毒现象。以烃或醇类的重整获得的富氢气体中含有一定浓度的CO，提高温度能够减轻CO对催化剂的吸附效应。从以上分析可看出，使PEMFC在更高的工作温度下运行，可以提高PEMFC的性能稳定性，提高燃料的利用率，提高功率密度以及降低成本。这些能进一步促进PEMFC在汽车上的广泛应用。

目前对于中高温PEMFC的研究集中于PEMFC各个部件（如质子交换膜、催化剂等）的研究，而对于从整个燃料电池系统考虑系统性能方面的研究相对缺乏。

罗建曦等[4]设计了一套适用于PEMFC发动机台架试验的热管理系统，分为高温循环和低温循环两个部分，并在双回路循环架构上采用自来水自动掺混补给和温度自动调节技术。高温循环中所带走的燃料电池反应产生的废热通过换热器传递给低温循环，当低温循环温度较高时，在低温循环中加入自来水补给。袁守利等[5]设计一套25 kW车用PEMFC发动机系统，根据计算所得的氢气和空气流量、空气加湿量等结果，选择合适的减压阀、空压机、加湿器。杨贵恒[6]针对500 W PEMFC供电系统提出硬件设计方案，设计一系列性能试验测试各个参数，并对PEMFC供电系统的DC/DC电路进行设计，最后完成整个供电系统的集成。

为了测试中温质子交换膜燃料电池系统的性能，本文基于某中温PEMFC系统，对其进行了冷态、热态启动测试，阶跃加载测试，稳态特性测试以及负压环境下的性能测试。验证系统是否达到设计要求，并提出了相应的改进措施。

1 中温PEMFC系统设计

该中温PEMFC系统的电堆由70片单电池组装而成，单电池的活化面积为250 cm2，工作温度能够达到90℃。除了电堆外，还需要其他辅助系统提供合适的工作条件才能正常工作。这些辅助系统包括：空气供应系统、氢气供应系统、水热管理系统以及电子电力系统等。该中温PEMFC系统设计的要求是辅助系统能够给电堆提供合适的工作环境，包括空气、氢气的流量、压力、温度、相对湿度以及冷却水的流量和进出堆温度。在实验设备条件允许的前提下，进堆氢气通过减压阀调节至0.04 MPa后保持不变，空气压力需要增压到0.14 MPa，化学当量比为2.8，入堆空气的水蒸气分压≤50 kPa。系统总体图如图1所示，红线为空气的流通回路，紫线为冷却水的循环回路，蓝线为加湿水的循环回路，黑线为氢气的流通回路。

图1 中温PEMFC系统示意图

1.1 空气供应系统

该中温PEMFC空气供应系统包括空气滤清器、空气压缩机、背压阀、压力、温度及湿度传感器。空气过滤器采用FS-10-100空气过滤器，纸质媒介。压缩机型号V1020，是一种容积式空气压缩机，无油润滑，可靠性高，性能优良，噪声较低，一般适用于3～10 kW的燃料电池系统，压比最高可达2，满足设计要求，最高转速为3000 r/min。实验前先确定燃料电池电堆所需要的空气流量，确定压缩比，然后根据压缩机的特性曲线图（如图2所示），选择合适的压缩机转速。

图2 空气压缩机的性能曲线

1.2 氢气供应系统

氢气供气系统包括高压氢气供应子系统、减压阀、压力表、进气开关电磁阀、排气开关电磁阀、手动阀、温度和压力传感器。直接将反应过的氢气排空，排气电磁阀按一定周期排氢。将流场内积累的水分及杂质排走，避免这些物质积累过多而影响氢气的反应。一般来说，电堆的工作电流越大，排氢周期越小。

1.3 水热管理系统

水热管理系统包括膨胀水箱、水泵、喷水加湿器及其水箱、散热器、冷凝器、膜加湿器及其水箱。该水热管理系统主要作用是维持电堆工作温度稳定，与空气供应系统间的热量交换以及为空气和氢气进行加湿。氢气采用水-气(water-to-gas)膜加湿器，空气采用喷水加湿。

2 实验结果分析

主要进行了该中温PEMFC系统的冷态、热态启动特性测试，稳态特性测试以及该系统在模拟海拔1.5 km条件下的试验测试。

2.1 冷态、热态启动测试

在进行该项测试时，设置电子负载电流10 A为怠速工况。冷态启动时，PEMFC系统直接启动（燃料电池开始工作的温度为常温26℃），然后加载到10 A，在10 A的电流工况下持续运行10 min左右，实验要求该冷态启动时的时间指标不超过3 s才能合格；热态启动时，需要先让燃料电池系统在一定工况下运行一段时间，使燃料电池的温度上升至设定的35℃，然后卸载，重新启动燃料电池系统，如图3和图4所示。

图3 冷态启动过程

图4 冷态、热态启动特性测试的电压变化曲线

由图3看出冷态启动时，在26.5 s的时候开始给系统提供电流负载10 A，此时电堆电压从开路电压64.5 V开始下降，在28.0 s的时候电压到达56.7 V，之后的时间内电压基本恒定。该PEMFC系统的冷态启动为1.5 s，而电堆的冷态启动时间的指标要求为≤3 s，因此该系统的冷态启动时间符合要求。

从图4可看出，冷态启动后在电流负载为10 A运行时，燃料电池输出电压为56.7 V，而热态启动后的电压大约为57.2 V。热态启动时的电池温度较冷态启动时要高，所以其电压输出也较冷态启动时要高。无论冷态启动还是热态启动，该中温PEMFC系统的电压输出都能很快达到稳定值，且在10 min的持续运行过程中，该电压输出只有略微的下降，仍可以保持较好的稳定。刚开始出现的电压波动是由于刚开始启动，流道内的反应气体分布不均匀，而随着运行时间的增加，该效应逐渐减弱，电堆电压也随之逐步恒定。后面出现的波动，是由电堆内部的生成水在流道积累引起的，当积累到一定程度时液态水会被排气所带走，导致电压周期性的波动。

图5是冷态、热态启动后阶跃加载时的极化曲线的对比。在阶跃加载实验中，每次加载递增20 A，直到140 A，每个工况运行约5 min。可以看出热态启动后的PEMFC的电压和功率相对冷态启动后要高些，但是两者极化曲线很接近。刚启动时两者温度相差8℃，但进行阶跃加载时电堆已经过一定时间的运行，即使是冷态启动，电堆的温度在持续工作过程中也有了迅速回升。而热态启动后的阶跃加载过程，在低电流负载时水温上升缓慢，于是在进行阶跃加载实验时二者的工作温度相差不大，这也导致了热态启动后阶跃加载时的电压输出与冷态启动时很接近。

2.2 不同工况下的系统稳态特性测试

图6是不同负载下的稳态特性测试曲线，每个工况下持续运行30 min，记录各工况下电压和冷却水出堆温度随时间的变化情况。

图6 不同工况下的稳态特性测试曲线

从图6可以看出，在一定的温度范围内，燃料电池的输出电压随着工作温度的上升而升高。但随着燃料电池的持续工作，工作温度进一步上升，燃料电池的输出电压出现下降。长时间工作后的PEMFC性能下降的原因有：(1)PEMFC工作温度过高。从100 A时的稳态特性测试曲线可以看出。只有单个风扇散热时，冷却水出堆温度缓慢增加至70℃，此时燃料电池系统的电压从41.7 V降到40.8 V。随着另一个风扇的打开，水温开始下降，电堆的电压输出明显上升。这说明燃料电池系统长时间工作后，如果散热控制不良，电堆的工作温度便会持续上升，当达到一定温度后，燃料电池系统的输出电压会开始下降。这是由于不同的膜材料都有适合的工作温度范围，当超过该范围，膜便会发生失水问题，从而导致性能下降。(2)高电流负载时，燃料电池电堆内部生成的废热量大，导致冷却水出堆温度高，通过加湿器内部的换热器对进堆空气进行加热，空气温度也得到更大的提高。(3)长时间持续工作后，特别是高电流负载时，生成的水越多，电堆内部越容易积累大量水，而且由于高负荷下消耗的反应气体更多，使得利用排气来带走流道内液态水的作用减弱，有可能导致更为严重的水淹现象，影响燃料电池化学反应的进行。

从以上分析可知，使燃料电池的性能输出保持良好，一方面要保证燃料电池系统良好的散热，精确控制燃料电池在合适的温度范围内工作；另一方面严格控制气体湿度。另外也可以通过改进电池流场结构，使流道内的水分更容易排走。

2.3 负压条件下的系统测试

设置环境仓提供压力0.085 MPa，环境温度25℃和环境湿度的空气。

从图7可知在负压条件下，该质子交换膜燃料电池的性能对比常压下有很大的下降，电压值平均要低2 V左右。当空气压缩机在非标准状态下工作时，根据相似理论，如果转速和压比不变，而降低进气的压力，那么将导致空气流量的降低，从而导致该燃料电池电压降低。在中高电流负载下运行时，常压和负压条件的功率差别更加明显，这将导致该PEMFC系统在高海拔地区工作时输出功率不足。

图7 负压与常压时的电压和功率曲线对比

3 结论

综上所述，该中温PEMFC系统的冷态启动为1.5 s，而电堆的冷态启动时间的指标要求为≤3 s，该系统符合冷态启动的时间要求。该中温燃料电池系统在长时间持续运行时能够保持较好的稳定性；在一定温度范围内，燃料电池的性能能够随着工作温度的上升而提高。要使燃料电池的性能输出保持稳定，首先要保证燃料电池系统良好的散热，精确控制燃料电池的工作温度；另一方面严格控制反应气体湿度。此外改进电堆内部流场结构也能优化电池性能。实验结果还表明该系统在高海拔地区的适应性有待进一步提高。

[1]梁洪浩，许思传，常国锋.高温质子交换膜燃料电池研究进展[J].电源技术，2012，36(2)：279-281.

[2]JENS O J,LI Q F,PAN C,et a1.High temperature PEMFC and the possible utilization of the excess heat for fuel processing[J].International Journal of Hydrogen Energy,2007,32:1567-1571.

[3]ZHANG J L,XIE Z,ZHANG J J,et al.High temperature PEM fuel cells[J].J Power Source,2006,160:872-891.

[4]罗建曦，张扬军，涂尚荣.车用燃料电池发动机试验台热管理系统设计[J].车用发动机，2003，8(4)：32-33，38.

[5]袁守利，杜传进，颜伏伍，等.25 kW车用燃料电池发动机系统的设计[J].能源技术，2004，25(5)：200-202.

[6]杨贵恒.质子交换膜燃料电池性能试验及其系统设计[D].成都：四川大学，2005.