燃料电池模块氢氧置换和吹扫可靠性研究

林 立，王 振



燃料电池模块氢氧置换和吹扫可靠性研究

林 立，王 振

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

通过对燃料电池模块氢氧置换和吹扫两个方面进行可靠性试验，验证这两个因素对燃料电池可靠性的影响。其中排放间隔和排放时间对均一性、氢氧利用率和燃料电池寿命均有影响，需要综合考虑；而在满足电堆设计需求的情况下适当提高吹扫压力有利于电堆运行。

燃料电池 置换 吹扫 可靠性

0 引言

燃料电池具有效率高、振动噪声等级低、输出功率大等优点，其已广泛应用于常规潜艇、水下无人作战平台、无人潜艇、深潜器、陆军军用电源以及航天航空领域，支撑各国国防事业和重大科技项目。

燃料电池作为一个多输入、多输出、非线性的强耦合复杂系统，其电子设备和元器件种类繁多，电磁干扰环境恶劣，在实际运行或台架实验中难免会发生种种故障。特别是在燃料电池模块运行流程中，氢氧置换和吹扫能够有效影响其可靠性并方便实现。因此，对燃料电池模块的氢氧置换和吹扫流程开展可靠性研究，对促进其可靠性增长具有重大意义。

1 燃料电池模块置换可靠性试验及分析

在模块置换方面燃料电池全寿命周期可靠性关键因素有：排放间隔和排放时间，采用正交三水平两因素试验，指标为电堆运行1小时后的工作点参数和单电压均一性，该指标通过试验测试得到，然后根据这三项参数综合判断其可靠性。对应的正交试验表如表1。

根据表1、图1和图2所示，在其它条件不变的前提下，排放间隔和排放时间对燃料电池工作点参数和单电压均一性的影响不同。排放间隔越长燃料电池性能越差，主要因为长时闭口运行影响燃料电池生成水的排放，影响氢氧流场与膜电极之间的介质传输，最终导致电性能下降。排放时间越长燃料电池性能越好，原因同上；由试验数据可知，本试验选取的两个排放时间对燃料电池性能的影响相对排放间隔较小，主要因为过长的排放时间会导致氢氧尾排的增加，拉低氢氧利用率，而且会导致燃料电池尾部氢氧侧压力下降过快，使得燃料电池内部氢氧侧压力波动较大，影响燃料电池的寿命。

表1 模块置换可靠性试验正交试验表

图2 长排放时间不同排放间隔单电池平均电压

根据表1、图3和图4所示，排放间隔越长，燃料电池均一性越差，主要因为长时闭口运行影响燃料电池生成水的排放，导致燃料电池局部水淹，最终的表现形式就是个别单电池性能下降，均一性差。排放时间越长，燃料电池均一性越差，主要因为较长时间的排放时间会引起燃料电池排水性能的提升同时也引起燃料电池氢氧侧压力的波动，而燃料电池排水特性提升引起的均一性提高不及燃料电池氢氧侧压力波动引起的均一性下降，最终导致燃料电池均一性差。为了保证燃料电池寿命，需要综合考虑其排放间隔和排放时间。

图3 短排放时间不同排放间隔单电池均一性

图4 长排放时间不同排放间隔单电池均一性

2 燃料电池模块吹扫可靠性试验及分析

在模块吹扫方面燃料电池全寿命周期可靠性关键因素有：吹扫压力和吹扫时间，采用正交三水平两因素试验，指标为电堆运行1小时后的工作点参数和单电压均一性，该指标通过试验测试得到，然后根据这三项参数综合判断其可靠性。对应的正交试验表如表2。

根据表2和图5~8所示，不同吹扫压力下吹扫时间对燃料电池工作点参数和单电压均一性的影响不同。在高压情况下，较短时间内可将燃料电池内的产物水吹扫干净，所以吹扫时间对燃料电池工作点参数和单电压均一性的影响较小；而在低压情况下需要较长时间才能达到同样的吹扫效果，较长的吹扫时间更有利于电堆内部彻底排水，对燃料电池工作点参数和单电压均一性有较好的影响。因为燃料电池模块吹扫压力受限于燃料电池模块工作压力，所以根据燃料电池模块工作压力的不同选择适当的吹扫时间，使其满足燃料电池电堆内部产物水排放的要求。

对比工况3&4和工况5&6，在其它条件不变的前提下，吹扫压力越高，燃料电池工作点平均电压轻微上涨，而其相应的电流密度变化不大，即实际发电功率略涨。说明吹扫压力有利于电堆电性能。但是燃料电池模块吹扫压力受限于模块工作压力，而工作压力的选择需要综合考虑电堆密封性能、膜电极设计、排水方式、尾气排放方式等各方面要求，所以在满足电堆设计需求的情况下适当提高吹扫压力有利于电堆运行。

表2 模块吹扫可靠性试验正交试验表

3 结论

根据上述燃料电池可靠性试验及结果分析，得出主要结论如下：

1）排放间隔越长燃料电池性能越差，排放时间越长燃料电池性能越好，主要原因是受排水性能的影响；排放间隔越长，排放时间越长，燃料电池均一性越差，主要原因是排水性能和氢氧侧压力波动的交叉影响；排放间隔和排放时间既影响燃料电池性能和均一性，也影响氢氧利用率和燃料电池寿命，需要综合考虑。

2）根据燃料电池模块工作压力的不同选择适当的吹扫时间，使其满足燃料电池电堆内部产物水排放的要求；在满足电堆设计需求的情况下适当提高吹扫压力有利于电堆运行。

图6 长吹扫时间不同吹扫压力单电池平均电压

图7 短吹扫时间不同吹扫压力电流密度

图8 长吹扫时间不同吹扫压力电流密度

[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] 康锐, 石荣德. 型号可靠性维修性保障性技术规范[M]．北京: 国防工业出版社, 2010.

[3] 任露泉. 试验优化设计与分析[M]．北京: 高等教育出版社, 2003.

Reliability Research on the H2/O2Substitution and Purge of Fuel Cell Module

Lin Li, Wang Zhen

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

TM911

A

1003-4862（2019）06-0001-03

2018-12-10

林立(1978-)，高级工程师。研究方向：化学电源。E-mail: linli_csic712@126.com