质子交换膜燃料电池系统阳极尾排策略研究＊

丁新立

（广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院，广东 广州 511434）

1 前言

氢燃料电池工作原理是在催化剂的作用下，将氢气和氧气的化学能转化为电能的能量转换装置[1,2]，且反应产物只有水。它具有清洁、高效、工作温度低等突出特点。且反应过程不受卡诺循环限制，能量转换效率高，使得其在未来可能代替其他热机的新型能量转换装置[3]。1993年巴拉德公司第一台燃料电池车问世；2014年丰田“Mirai”问世，推动了燃料电池车的发展进度[4]。燃料电池车与纯电动车相比，具有能量密度高、燃料补充时间短、续航里程长等优势。由于其突出的优点，备受各国政府和企业的重视，被认为是二十一世纪清洁能源的首选[5]。

在催化剂作用下，氢气在阳极被电化学氧化生成质子，质子通过膜传导到阴极，在阴极氧气被电化学还原生成水[6]。而阴极侧生成的水以及空气中的氮气，在高温高压等条件作用下会扩散到阳极。长时间的氮气和水汽积累，会影响电堆性能，因此定期排出水和氮气是至关重要的。脉冲排放模式利用阳极出口的电磁阀进行周期排放，能够有效排出反应物，稳定电池性能[7,8]。本文根据电堆的特性以及试验，给出了阳极脉冲式尾排策略的优化方向，可有效排出阳极水分和氮气，使电堆性能长时间得以维持，同时提高氢气利用率。

2 工作原理及阳极结构

2.1 工作原理

质子交换膜燃料电池是一种将燃料与氧气通过电化学反应直接转换成电能的发电装置。

其中，氢燃料电池的工作原理如下：

（1）氢气在阳极催化剂的作用下分解成质子和电子。

阳极反应式：

（2）质子穿过电解质膜，在阴极氧与氢离子反应生成水，而电子则通过外电路形成电流。

阴极反应式：

总反应：

图1为常见的质子交换膜燃料电池单池原理结构[9]。

图1 质子交换膜燃料电池原理结构图

由上述原理以及下述阳极系统结构可知，在燃料电池工作过程中会产生大量的水汽。由于质子交换膜的特性以及高压和高温的工作环境，会有氮气和水汽从阴极渗透到阳极，并且在阳极会不断积累。为使燃料电池长时间高性能的稳定工作必须将该部分氮气和水分及时排出[7,8]。

2.2 阳极系统

图2 阳极回路结构图

为了有效地排出阳极路的氮气和液态水，必须具有一个合理的系统结构。车用质子交换膜燃料电池发动机系统的阳极回路中，一般包括供氢总成、水汽分离器、尾排阀、氢入/出压力传感器等。其中尾排阀一般安装在水汽分离器的最低端，这样可以更加方便有效地将液态水和杂质排出。

具体阳极回路系统结构如图2。

3 尾排策略

在文献中[4,7]对阳极水的渗透率做了详细的分析，不仅与膜电极的材料、操作温度和压力等因素也有关，并且还会随着电流密度的增加而增加。尾排阀的开启不仅与水的产生量有关，而且还与阳极其他杂质气体比如氮气有关。另外，当燃料电池开始工作时温度较低，气态水易液态化。在整车应用上一般采用脉冲式尾排策略[10,11]，具体工作流程如下：

图3 尾排控制流程

该策略主要思路为：根据燃料电池产水量以及渗透到阳极的水汽量，通过试验标定的方法确定尾排阀的频率。在低温条件下，汽态水容易液化，根据电堆冷却液出水口温度对尾排频率进行补偿。尾排的开启时长除了根据产水量确定，还根据尾排阀的特性决定，要求在排出水和氮气的同时要尽可能少地排出氢气，以确保系统的安全性和氢气利用率。

4 试验

本文设计了三组试验：

（1）固定PEMFC的电流密度和尾排频率，测试尾排阀不同的开启时长尾气氢浓度的值。为了试验的安全，在较低电流密度（200mA/cm²）下进行试验，测试不同尾排阀的开启时长，记录尾排开启瞬间氢浓度最大值。

具体试验结果如下图：

图4 尾排阀开启时长与尾气瞬间最大氢浓度关系曲线图

从上图可以看出，随着尾排阀开启时间的增加，尾气氢浓度瞬间最大值也在增加。为了排出电堆内的氮气，必须要有氢气排出才能带出杂质气体。所以尾排阀开启时长关系到氢气的利用率和杂质排出的效果。尾排阀的开启时长必须要做一个取舍，即又要保证杂质气体的排出又要保证氢气尽可能少地排出，以提高氢气利用率和整车安全性。

（2）固定相同电密下的尾排阀开启时长，调整尾排阀开启的频率。每个功率时间段统计300s，用来计算氢气的消耗量和氢气的利用率。其中试验1为低排氢频率，试验2为高排氢频率。

图5 不同排氢频率下的氢耗曲线

图6 不同尾排频率下的氢气利用率

图7 不同排氢频率下氢耗与氢气利用率变化曲线

实验结果可以看出，相同功率下尾排频率增加时，氢气消耗量增加，氢气利用率降低，尤其是在低电密下，这种表现最为明显。试验2的氢耗比实验1的氢耗最大高11.9%，氢气利用率最大低了 13.3%。所以尾排频率直接影响到氢气的利用率，需要合理地设定排氢频率。

（3）关闭尾排阀，让PEMFC在600mA/cm²的电流密度下长时间工作，试验结果如下图。

图8 尾排阀长关PEMFC电压变化曲线

在该电流密度下，PEMFC在开始过程可以正常地运行，当运行一段时间后其整体电压开始下降，其中，单体最低电压下降得最为明显。直到单体电压触发系统保护阈值。从实验结果可以看出，如果长时间不进行尾气排放，PEMFC将无法稳定地工作。为了使PEMFC正常运行，必须要对阳极内的杂质定期排出。

图9 实车用数据

分析：（1）不能单纯地为了提高氢气利用率和整车安全性而不进行尾气排放；（2）随着系统功率的增加，尾排频率也要增加；（3）尾排阀开启时长既要确保把水和氮气排出，也要尽可能降低尾排的浓度。

最后通过试验，得到一组尾排频率，尾排阀开启占空比，该处开启占空比是尾排开启时长与尾排间隔的比值，以及尾排频率补偿量。该组数据可使PEMFC长时间正常稳定的运行，已在整车上稳定运行60000km以上。

5 结论

质子交换膜燃料电池是一种清洁高效的发电装置，具有广泛的应用前景。而阳极尾排阀的控制直接影响到电池的性能和寿命。本文给出的尾排频率和开启占空比具有一定的合理性，该策略不仅能够保持电池的性能，而且在一定程度上可以增加整车的续航里程，同时又减少尾气中氢气的浓度，提高了安全性。