燃料电池气体温湿度与电堆性能分析

张海波，高 勇

燃料电池气体温湿度与电堆性能分析

张海波，高 勇

（武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064）

系统性能指标是实现燃料电池工程化应用的瓶颈之一，系统搭建和调试过程中，空气与燃料温湿度是影响质子交换膜燃料电池性能的重要因素，对系统控制策略和辅机搭配方案的制定产生很大影响。本文通过实验与统计相结合的研究方式，研究15 kW燃料电池电堆在增湿温度分别为60℃、70℃和80℃条件下分别进行氢空单侧增湿、双侧增湿和不增湿时的输出功率、发电效率和单电池电压一致性。其中输出功率采用测试台直接测量、发电效率通过经验公式计算、电压一致性则通过巡检记录和统计方法相结合的方式评价。结果表明70℃时各增湿方案下优于其他温度同等湿度条件下的电堆性能，有增湿条件明显优于无增湿方案电堆性能，而双侧增湿和氢空单侧增湿对电堆性能影响不大。

燃料电池 系统性能 温度 湿度 单片电压一致性

0 引言

燃料电池的环境适应性研究对系统方案的设计和辅机的选择具有重要的指导意义，有助于降低辅机功耗、减少系统整体成本、提高系统总体性能。本论文主要通过改变进口气体的温度和增湿策略，对自主研发的15 kW质子交换膜燃料电池电堆的输出功率、氢气利用率和单片电压一致性三个方面的指标进行分析和优化。

单片电压一致性是衡量电堆性能的重要指标，一致性对整个电堆的可靠性和工作性能将造成重大影响，当一致性波动较大时，可能造成局部电流过大、热点、反极等现象。影响电堆一致性的因素很多，如膜电极、双极板等关键零部件的设计制备工艺、电堆组装流程、电堆运行环境等。本论文以运行环境因素中的60℃、70℃和80℃三种温度条件下的氢空单侧、双侧和无增湿三种增湿策略为变量对电堆性能进行分析与优化。

1 方法

电堆输出功率可直接在测试台读取；氢气利用率可通过公式（1）计算[1]：

（1）

当前评价电堆一致性与效率的方法很多[2~4]，本文采用比较各工况下单电池电压波动数据、氢气利用率和发电效率的方式进行测试。整个测试分为四组试验，分别在不加装增湿系统、单侧增湿（氢侧、氧侧）、两侧增湿系统四种增湿策略下改变增湿温度（60℃、70℃、80℃），运行15 kW级燃料电池模块（含135片单电池），完成对系统功能项目的集中检测。

2 结果

试验过程监控终端对15 kW燃料电池模块传感器数据进行了自动记录，对自动记录数据进行了绘图，为燃料电池模块各试验过程功率、电压、电流曲线，如图1所示。

图中红线（下部）是电流曲线，蓝色（上部）是电压曲线，黑色（中部）是功率曲线。通过对比各次试验数据可知，加装增湿系统后电堆运行效果明显好于未加装增湿系统，未加装增湿装置（图1（a））的最大输出功率为12.408 kW，而双侧增湿（图1（c））的最大输出功率为15.776 kW；相同试验条件下的单侧增湿试验，氢侧单侧增湿时最大输出功率为15.991 kW，氧侧单侧增湿（图1（b））时最大输出功率为15.856 kW，由试验结果可知，单独增湿一侧时，最大输出功率相近，略好于双侧增湿；由增湿温度对比试验（图1（d））可知，80℃时最大输出功率为16.816 kW，与60℃试验数据相近。

但60℃实验过程中，由于单片电压过低，为保护电堆，系统停机，从而满负荷运行时间过短。对比80℃增湿试验，负载平稳增加和氢侧单侧增湿试验，载荷从0快速增加到满负荷，两次试验100%负载时系统继续平稳运行，分析原，负载增加过快时，由于尾排间隔未调整，导致电堆内局部积水，个别单片电压转为负压。解决方式为，小功率电堆模块运行时，可缓和增加负载（每次1 kW），或不断减小尾排间隔的同时快速提高负载。此两种方法，前者较为平稳，但提升到满负荷运行时间较长；而后者到达满工况运行时间较短，但氢氧利用率会降低。

电堆试验本应对比50%工况和额定工况数据，但由于测试台负载为300 kW，用做15 kW电堆测试时，小功率运行误差较大，所以此处仅分析满工况条件下的数据。

将所有满工况巡检进行分析可得表1，结合电压一致性巡检数据和统计方法分析可见双侧增湿在一致性上明显好于单侧，但由于60℃试验满工况运行持续时间较短（仅47次巡检，每次巡检间隔2 s），且出现电堆积水自动停机，参考意义不大。故仅就试验数据可得双侧加湿，增湿水温度为70℃到80℃时一致性最优，而70℃时双侧增湿数据好于80℃。

燃料电池的发电效率试验采用理想效率´电压效率´电流效率´气体利用率求得。根据燃料电池模块输出功率达到50%额定、额定工况下的总电压及燃料利用率计算电堆本体发电效率，效率计算结果如下表2所示：

表1 各试验巡检数据分析

表2 模块发电效率

3 结论

加载增湿系统后，不论单侧增湿，还是双侧增湿，电堆性能均有大幅提高。对于单侧增湿试验来说，氢侧或氧侧的单侧增湿对结果影响不大，但单侧增湿方案电堆发电效率略低于双侧增湿方案。且通过温度试验得知，70℃时双侧增湿，电堆性能优于60℃和80℃的双侧增湿，但需保持同等试验条件作进一步验证。

在下一步工作中，可增加进出口压力、压差、启动温度、排水方案等更多变量，通过响应面分析，对各影响电堆性能的各种变量进行单变量响应分析和多变量耦合响应分析，更加系统的对电堆环境适应性能力进行深入研究。

[1] 衣宝廉. 燃料电池-原理.技术.应用[M]. 北京：化学工业出版社, 2003.

[2] Zhu W H, Payne R U, Cahela D R, et al. Uniformity analysis at MEA and stack levels for a Nexa PEM fuel cell system[J]. Journal of Power Sources, 2004, 128(2): 231-238.

[3] 毛宗强. 燃料电池[M]. 北京: 化学工业出版社, 2005.

[4] 翁元明, 林瑞, 唐文超, 马建新. 燃料电池堆单片电压一致性研究进展. 电源技术. 2015, 39(1): 199-202.

The Analysis of Fuel Cell Performance with the Temperature and Humidity of Input Gas

Zhang Haibo, Gao Yong

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

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TM911.4

A

1003-4862（2019）05-0042-04

2018-11-12

张海波（1986-），男，工程师。研究方向：燃料电池。E-mail: waveandfish@126.com