燃料电池空气供应系统条件敏感性研究

冯强

摘要： 质子交换膜燃料电池的性能受运行条件参数影响较大，其中燃料电池发动机空气系统包含零部件多，电堆性能受空气路运行条件的影响较大，空气系统的标定工作任务繁重;针对质子交换膜燃料电池性能特性受空气路多参数影响大、标定任务繁重的问题，进行燃料电池空气系统的条件敏感性测试，研究燃料电池性能与空气温度、湿度、压力、流量的变化关系，分析空气路相关参数对燃料电池性能的影响机理。

Abstract： The performance of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） is greatly affected by the operating conditions. The engine air supply system is formed by plenty of parts， affecting the performance of stack significantly， meaning the calibration task of the air supply system is heavy and complex. To solve above problem， and to research on the influence of air temperature， humidity， pressure and flow rate on the stack performance， the condition sensitivity test of PEMFC air supply system was carried out， the influence mechanism of air supply system related parameters on fuel cell performance was raised up.

关键词： 燃料电池;空气供应系统;温湿度;敏感性分析

Key words： fuel cell;air supply system;temperature and humidity;sensitivity analysis

中图分类号：TM911.48                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）17-0016-04

0  引言

近年来，在全球能源转型过程中，氢能作为清洁能源，普及范围越来越广[1];其中质子交换膜燃料电池凭借高能量密度、高转化效率、低运行温度以及低碳排放，被认为是极具潜力的发展方向[2-3]。然而，相比于传统内燃机，质子交换膜燃料电池在耐久性以及商业化程度还存在很大限

制[4-5]。当燃料电池作为动力源应用于整车时，燃料电池面临着动态载荷变化、空气杂质及污染物、空气温湿度变化、低温冷启动以及振动冲击等更为严峻的挑战[6]。

燃料电池系统[7]主要包括空气供应系统、氢气供应系统、冷却系统等，其中空气供应系统给电堆提供一定温湿度、压力及流量的空气[8]，在燃料电池系统中扮演着重要角色[9]。由于空气供应系统对电堆影响巨大[10]，本文进行了燃料电池空气供应系统的条件敏感性试验，研究了空气温度、湿度、流量、压力对燃料电池的影响关系，分析了其影响机理，为空气供应系统零部件选型以及参数标定提供

参考。

1  试验条件

1.1 试验燃料电池电堆

本文采用了苏州弗尔赛能源科技股份有限公司提供的TP03石墨双极板，利用螺杆方式装配110片Gore M720膜电极电堆并进行活化，电堆额定电流200A，额定电压0.65V。TP03双极板阴阳极流道如图1所示，阴极采用蛇形流道，阳极采用波浪形流道。

1.2 试验方案

为探究电堆对空气条件的敏感性，在完成电堆性能活化后，分别研究空气流量（化学计量比）、空气温度、空气压力、空气湿度对电堆性能的影响，各测试参数见表1。

2  空气化学计量比对电堆性能的影响

2.1 试验条件

控制氢气与氧气入口的相对压力同为60kPa，氢气不加湿，空气加湿到80%，氢气与空气入口温度同为55℃，氢气化学计量比为1.5保持不变，调整空气化学计量比分别为1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0，分析不同空气化学计量比条件时电堆的整体性能特性。

2.2 空气化学计量比敏感性分析

不同空气化学计量比下电堆的压降特性如图2所示，由于阴极与阳极流道的形状与流量均不相同，故两者表现出不同的压降特性。不同工况下阴极的压降如图2（a）所示，可以看出在相同电流下，随着空气化学计量比的增大，阻降逐渐增大;在相同化学计量比下，随着电流的增加，压降亦逐渐增大。从整体趋势看，阴极侧的压降随着空气流量的增加而逐渐增大。在200A时，空气化学计量比为4.0时，空气的流量为1466.8SLPM，阴极侧的压降达到最大17kPa。阳极压降如图2（b）所示，相比于阴极侧压降，阳极侧的压降呈相同的变化趋势，但比阴极侧小很多;阴极侧的压降偏大主要歸因于：①阴极侧采用蛇形流道;②阴极侧的气体流量更大。

空气化学计量比对电堆性能的影响如图3所示，由图中可以看出，随着空气化学计量比的增加，燃料电池极板阴极流道尾端氧气的浓度随之提升，电堆的性能有明显的提高。在电流≥60A，计量比≤2.5时，电堆性能的提升较为明显;计量比≥2.5时，电堆的性能无明显增益，基本相同，在正常的范围内波动。考虑到空气路辅件的功耗问题，可以认为，在电流≥60A时，空气化学计量比为2.5，电堆的综合性能最佳，日常测试中可采用该计量比。在电流≤60A时，空气化学计量比增大，电堆性能均有小幅度提升，考虑到在低电流下的辅件功耗，在小电流下可采用较低的计量比即可满足性能要求。

3  空气温度对电堆性能的影响

3.1 试验条件

控制氢气与空气入口的相对压力同为60kPa，氢气不加湿，空气加湿到80%，氢气计量比为1.5，空气化学计量比为2.5，调節空气温度分别为50℃、55℃、60℃、65℃、70℃，分别测试在110A和200A时的电堆性能，分析不同温度下电堆的性能特性。

3.2 空气温度敏感性分析

110A时电堆性能随温度的变化关系如图4（a）所示，200A时电堆性能随温度的变化关系如图4（b）所示;在110A和200A时，随着工作温度的升高电堆的性能均先增加后降低，这是因为提高工作温度可以提升电化学反应活性，提高电堆性能，但提高工作温度的同时，会降低在此工况下的开路电压，所以在提升工作温度的情况下，电堆性能随温度提高呈现出先升高后降低的趋势。通过温度敏感性试验发现，在60℃时电堆的性能最佳，电堆适宜的工作温度范围为55℃～65℃。

4  空气湿度对电堆性能的影响

4.1 试验条件

控制氢气、空气的相对压力同为60kPa，氢气、空气温度为55℃，氢气不加湿，氢气计量比为1.5，空气化学计量比为2.5，调节空气湿度RH分别为20%、40%、60%、80%、100%，分别测试在110A和200A时的电堆性能，分析不同温度下电堆的性能特性。

4.2 空气湿度敏感性分析

不同湿度下电堆的性能如图5所示，随着湿度的增加，电堆的性能逐渐提升，且在200A时，提高湿度对电堆性能的提升效果更为明显，这是由于提高进气湿度，可以提高膜电极表面的水合度，从而提高质子膜的质子传输能力，在空气化学计量比合适时，可以显著提升电堆性能，不发生水淹现象。通过空气湿度敏感性试验，分析认为空气的适宜加湿范围为：≥60%。

5  空气压力对电堆性能的影响

5.1 试验条件

控制氢气、空气温度为55℃，氢气不加湿，空气湿度80%，氢气计量比为1.5，空气化学计量比为2.5，调整空气进气压力从0kPa～120kPa，分别测试在110A和200A时的电堆性能，分析不同温度下电堆的性能特性。考虑到低气压时，计量比为2.5时空气量会不足，故增加测试3.5计量比时不同气压时电堆的性能。

5.2 空气压力敏感性分析

由图6可以看出，随着空气压力的增加，电堆性能逐渐提高，200A时改变空气压力对电堆性能有较大影响。同时，可以看出在110A，空气计量比为2.5和3.5时电堆的性能差异不大;200A时，空气计量比为3.5时的电堆性能明显较优。

6  小结

本文通过对燃料电池空气系统相关参数敏感性试验得到如下结论：

①阴极和阳极侧的气体压力降均随着气体流量的增加而逐渐增大;②随着空气化学计量比的增大，电堆性能逐渐增加;空气压力为60kPa时，电堆在空气化学计量比为2.5时达到较优性能;③空气温度和空气湿度对电堆的性能影响程度基本相同;电堆适宜的工作温度范围为55℃～65℃;电堆适宜的空气湿度范围为：≥60%。

参考文献：

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[5]彭祖雄，王曼莉，李剑铮，谢斌权.乘车用燃料电池系统验证体系研究[J].汽车文摘，2021（05）：55-58.

[6]刘世闯，孙桓五，王瑞鑫，李昊，张东光.大功率型氢燃料电池重卡动力系统匹配设计[J].汽车工程，2021，43（02）：196-203.

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[9]张晨.燃料电池空气供给系统控制及能量管理策略研究

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[10] Zhao D， Xu L G. Semi-physical modeling and control of a centrifugal compressor for the air feeding of a PEM fuel cell[J]. Energy Conversion and Management， 2017（154）： 380-386.