质子交换膜燃料电池系统的最优工作温度研究

张晓鹏 朴世文 钟兵 杨芳 温凯凯

摘  要：在完成燃料电池系统集成后，需要对整个系统的运行参数进行进一步的优化。本文对50kW燃料电池系统进行活化，分别在在55℃、60℃、65℃、68℃、70℃运行温度标定工况，根据不同温度下运行工况后的电堆内阻及80%额定功率下电堆电压确定燃料电池系统的最佳运行温度。研究表明，该燃料电池系统的最佳工作温度为68℃。

关键词：燃料电池系统;热管理;运行温度;内阻

中图分类号：U467.4+1      文献标识码：A      文章编号：1005-2550（2022）02-0002-04

Study on the Optimal Operating Temperature of Proton Exchange Membrane Fuel Cell System

ZHANG Xiao-peng， PIAO Shi-wen， ZHONG Bin， YANG Fang， WEN Kai-kai

（ Xiangyang Daan Automobile Test Center， Xiangyang 441000， China ）

Abstract： After the fuel cell system integration is completed， the operating parameters of the whole system need to be further optimized. In this paper， the 50kW fuel cell system was activated and operated under the temperature calibration conditions respectively at 55℃， 60℃， 65℃， 68℃， 70℃. The optimal operating temperature was determined according to the internal resistance of fuel cell stack and the fuel cell stack voltage under 80% rated power condition. The results show that the optimal operating temperature of the fuel cell system is 68℃.

Key Words： Fuel Cell System; Heat Management; Operating Temperature; Internal Resistance

引    言

质子交换膜燃料电池的性能受到诸多因素影响，其中水管理及热管理是首先考虑的两个因素。电堆内部催化反应需要在合适的温度及湿度下进行[1，2]，阳极侧的电渗透作用导致阳极侧湿度会降低，阳极的加湿策略是采用氢气循环策略，阳极未完全反应的氢气会携带水蒸气重新进入阳极，一方面提高氢气利用率另一方面对阳极气体进行增湿。阴极侧反应生成大量的水，需要及时排出。适当提高运行温度可增加膜的电导率、交换电流密度、催化剂的活性且有利于气体扩散，从而提高电池的性能[3]。但是过高的温度和电流密度容易造成阳极侧膜脱水，造成欧姆极化严重，同时高温也会加速膜降解及蠕变、铂溶解及双极板的腐蚀[4～7]。

为了提高燃料电池性能需要将燃料电池运行温度控制在一定的范围内。如果温度过低，将导致电堆的极化现象加剧[7]，输出电压降低，从而使电池性能恶化;如果温度过高，将导致电堆内膜电极脱水、收缩甚至破裂，而且燃料气体中水蒸气的分压会升高，造成稀释反应气体的浓度，严重时直接造成电堆膜电极失水损坏[6]。因此对于燃料电池系统集成而言，急需一种快速标定燃料电池系统的最佳工作温度的方法，依次来设定系统的运行温度，达到温度湿度的平衡，保证系统性能和延长使用寿命。

在研究燃料电池最优工作温度方面，多采用针对单片进行电化学分析的方式[8，9]，以确认最佳运行温度，此方法费用低，可以得到丰富的电化学信息。但是，电堆组装以及系统集成相对于单片电池结构而言复杂程度呈数量级增加，因此单片电池的标定结果不能完全与燃料电池系统相符合，导致标定结果误差较大。电堆内阻与膜电极的干湿程度呈正相关，电堆在中高功率区间运行时的电压可以衡量电堆的扩散极化，因此可以通过不同运行温度下电堆的内阻以及中高功率区间输出电压来标定系统的最佳运行条件。本文建立了电堆内阻法测定电堆膜电极的干湿状态，辅助以运行电压的分析，建立确定燃料电池系统最佳运行温度的方法。

1    试验方法

1.1   样品及测试设备

本试验样品为自行搭建的燃料电池系统，系统额定功率50kW，峰值功率55kW。测试设备采用Greenlight FCTS-M-100测试系统，内阻测试采用日本HIOKI-BT3564型电阻测试仪。测试系统原理见图1，测试设备精度见表1。

1.2   测试操作

1）首先将燃料电池系统与台架连接，将燃料电池系统氢气、冷却水进出口、低压供电、CAN通讯线及高压负载线与台架及上位機连接;

2）对燃料电池系统进行气密性测试，确认无泄漏;

3）高低压电供电，调试控制通讯后，对燃料电池系统进行活化，活化电流电压见图2;

4）停机后，打开阳极供氢电磁阀，对阳极进行补充氢气，保持电堆开路电压检测电堆内阻;

5）内阻测试结束后，打开阳极排氢阀，并按照正常停机进行吹扫处理;

6）对测试台架冷却系统进行运行温度设定，预热至设定温度后对阳极进行通氢;

7） 按照温度标定工况（图3）进行开机自动运行标定工况，每次试验测试3个循环，时长1小时，测试过程中记录电堆的电流电压及电堆出口的水温;

8）运行结束并正常停机后，打开阳极供氢电磁阀，对阳极进行补充氢气，保持电堆开路电压检测电堆内阻;

9）将测试台架冷却水出堆温度分别设置为55℃、60℃、65℃、68℃、70℃ 5个运行温度，重复测试步骤6～8，结束后分别将不同运行温度下的电堆内阻及40kW功率下的电堆电压进行作图分析。

2    结果与讨论

2.1   电堆活化

电堆长时间未工作，需首先进行活化。以10 A/s的速率将电堆的功率拉载至40kW，稳定运行60min，以达到润湿膜电极的目的，使电堆处于正常工作状态，如图2所示：

2.2   最佳运行温度标定分析

实验中采用图3标定工况，此工况中功率涵盖10～40kW，并包含多次变载、降载过程，而非恒定功率下运行，更加真实模拟燃料电池系统车载运行状态。由于质子交换膜的使用温度上限在75℃左右，因此选择运行温度区间为55～70℃。通过记录不同温度下在40kW固定功率下电堆的电压及运行结束后电堆的内阻，来判断电堆的膜电极干湿度及电堆的工作状态。

图4为不同温度下系统功率和电堆出口温度，从图（a，b）55℃及60℃的测试结果可以看出，在40kW功率下时，系统的功率呈现波动状态，而随着温度升高到65℃后波动得到缓解。这是因为在65℃以下电堆的催化剂活性不佳，加上运行至高功率后阴极产生的水较多，排水不及时，而阳极在低温下氢气循环中携带较多水份，也造成氢气供给不足，因此造成功率波动。随着运行温度提升催化剂活性提升，同时氢气循环中液态水含量下降，功率波动得到缓解。

根据不同运行温度下电堆的电压及电堆内阻（图5）进行分析，随着运行温度升高40kW功率下电堆的电压呈现先升高后略微降低的趋势，而电堆内阻为先缓慢增加，后快速增加的趋势。这是由于随着运行温度的升高电堆的催化剂活性升高，电堆的电化学极化减弱，而随着温度的进一步升高，膜电极含水量减低，从而导致质子交换膜质子传导率下降，从而降低了电化学反应速率。电堆的内阻变化主要是由质子交换膜的含水量变化引起，随着温度升高膜电极含水量呈现微弱变化，当温度超过65℃时，膜电极失水严重，导致质子传导率下降，从而表现为内阻突然增加。由此看出在温度68℃时，电堆催化剂活性处于较好的状态而且电堆内阻也适中。因此将电堆的出水温度设置为68℃左右，即可以保证电堆具有较高的输出电压，又可以保证电堆膜电极具有良好的质子传导率，避免质子交换膜脱水、收缩甚至破裂而造成使用寿命衰减。

3    结论

对50kW质子交换膜燃料电池系统进行活化，在55℃、60℃、65℃、68℃、70℃ 5个运行温度下运行温度标定工况，分析不同运行温度下电堆的内阻及40kW功率下电堆的电压。结果表明：随着运行温度的提升，电堆的电压先逐步升高后下降趋势，而电堆内阻呈现先缓慢升高后明显升高的趋势。电堆冷却出水温度设置为68℃时，既可以保证电堆的输出性能又可以避免质子交换膜因脱水而造成寿命衰减。在系统集成中，运行温度的设定过程中即要保证输出性能，同时也要考虑电堆的运行寿命。可以将电堆的内阻及输出电压作为运行温度标定中考虑的重点要素，来实现电堆的高性能及长寿命。

参考文献：

[1]王旭，张睿，王旭敏.质子交换膜燃料电池性能热管理研究概述[J].专用汽车，2020（09）：76-80.

[2]杜跃斐，姜慧羚.质子交换膜燃料电池流动传热特性研究[J].上海电气技术，2020，13（04）：48-51+66.

[3]Santarelli M G， Torchio M F . Experimental analysis of the effects of the operating variables on the performance of a single PEMFC[J]. Energy Conversion & Management， 2007， 48（1）：40-51.

[4]Tsushima S ， Teranishi K， Hirai S . Magnetic Resonance imaging of the water distribution within a polymer electrolyte membrane in fuel cells[J]. Electrochemical and Solid-State Letters， 2004， 7（9）：A269-A272.

[5]Yan W M， Chen F ， Wu H Y， et al. Analysis of thermal and water management with temperature-dependent diffusion effects in membrane of proton exchange membrane fuel cells[J]. JOURNAL OF POWER SOURCES， 2004， 129（2）：127-137.

[6] NANDJOU F， POIROT-CROUVEZIER J P， CHANDESRIS M， et al. Correlation between local temperature and degradations in polymer electrolyte membrane fuel cells[J]. ECS Transactions， 2015， 66（25）： 1-12.

[7]侯健，楊铮，贺婷，李强，王倩，张建胜.质子交换膜燃料电池热管理问题的研究进展[J].中南大学学报（自然科学版），2021，52（01）：19-30.

[8]范宝安，刘祥丽，朱庆山.交流阻抗谱法研究燃料电池的极化阻力[J].电源技术，2009，33（04）：251-253.

[9]孙腾飞. 质子交换膜燃料电池水淹/膜干研究[D]. 西南交通大学，2019.

张晓鹏

毕业于武汉理工大学，硕士研究生，现就职于襄阳达安汽车检测中心有限公司，主要研究方向：燃料电池电堆及系统试验技术研究，已发表论文2篇。

专家推荐语

罗马吉

武汉理工大学汽车工程学院

动力工程及工程热物理专业  教授

质子交换膜燃料电池系统的工作温度对燃料电池系统的性能及寿命影响显著。论文提出了一种快速标定燃料电池系统的最佳工作温度的方法，该方法根据不同温度下运行温度标定工况后的电堆内阻及80%额定功率下电堆电压来确定燃料电池系统的最佳运行温度。论文工作具有重要的工程应用价值。