船用PEMFC发电模块高原运行特性研究

胡 旦，张梦元，张 望

船用PEMFC发电模块高原运行特性研究

胡 旦，张梦元，张 望

（武汉氢能与燃料电池产业研究院，武汉 430074）

船用燃料电池发电模块阴极侧受海拔环境影响较大，本文主要从理论上分析了阴极侧过量系数及反应压力对燃料电池性能的影响，对阴极侧主要元件空压机的性能进行了标定及仿真分析，进而优化控制参数，并通过试验对控制参数进行了验证。

船用燃料电池 高海拔 过量系数 压力 效率

0 引言

水冷型质子交换膜燃料电池(PEMFC)发电装置是目前应用最为广泛的燃料电池之一，其阴极采用高转速空压机供给空气。研究及试验数据表明燃料电池的发电效率、单电压、以及寿命等性能对供气压力、反应气体过量系数、环境温度、湿度等因素十分敏感，而地球上不同地区的环境温度、湿度、空气的中氧气的浓度、分压等不尽相同，特别是高海拔地区空气稀薄，温度、湿度、氧浓度与低海拔地区差距巨大，燃料电池有可能面临欠气、效率低、淹水等问题。

本文针对高海拔环境下船用燃料电池发电装置运行特性进行研究，提出了相对应的改进策略，为装置的环境通用性提供试验支撑。

1 燃料电池环境敏感性分析

1.1 高海拔环境参数

本文主要针对海拔4000 m与海拔0 m地区燃料电池的运行特性进行分析，表1给出了两种海拔下的具体环境参数。

表1 不同海拔高度的环境参数[1]

由于发电模块采用水冷控温的方式，模块稳定运行时电堆内的温度基本保持为入口60℃，出口65℃，受环境温度影响较小；而空气回路（阴极）空压机流量及升压比受大气环境压力影响较大。

1.2 反应压力敏感性分析

对于燃料电池额定运行工况，由能斯特方程可得不同压力下其理想电动势可表示为：

燃料电池中还存在多种类型的电压损耗，如活化极化、浓度极化、欧姆损耗等，且大部分损耗主要发生在阴极，可获得燃料电池极化曲线足够精确的近似模型[2]。

以1 atm环境条件为参考标准，假设模块运行时具有相同的表压，发电模块额定工况下得到电压变化与环境压力变化的曲线图，如图1所示，海拔4 000 m时绝对气压下降约38 kPa，相同的电流密度和工作温度条件下，燃料电池性能理论会下降15 mV左右。

图1 压力变化vs电压变化@1atm_base

1.3 空气过量系数敏感性分析

则变化趋势如图3所示：

图3 浓度极化损耗-过氧比

理论上随着过氧比的升高，燃料电池的损耗减小，当过氧比大于3.0之后损耗改善较小，可忽略不计，当过氧比小于1.5～2.0时，电堆浓度损耗随着过氧比的减小急剧恶化。另一方面，过氧比的提高意味着空压机功率消耗提高，以及过大的过量系数会造成燃料电池质子交换膜水含量降低，反而影响电堆性能，所以在过氧比的选取上需要综合考虑效率与电池寿命的影响。

2 燃料电池高海拔性能分析

2.1 空压机高海拔性能

图4 海拔4 000 m环境空压机流量压力特性曲线

海拔4 000 m空压机的流量特性见图4。除了流量，另一方面空压机的功耗作为主要的辅机功耗对燃料电池发电模块的输出效率有着比较大的影响，事实上空压机的做工过程可以等效为绝热压缩过程，其功率可由下式表达：

其中为空气比热容比（绝热系数），为压缩机级数。式（8）表明空压机功耗是由升压比和转速共同决定的，所以在高海拔地区升压比过大反而会造成空压机的功耗更大。

根据试验数据得到拟合参数如表1，拟合结果如图5所示，通过低海拔与高海拔试验数据进行检验，理论数据与实际功率数据较为贴合，表明式（8）可以作为空压机功率预测模型。从式（8）及图4可以看出高海拔地区空压机的升压比更大，所以功耗更大。

表2 拟合系数

图5 空压机功率拟合

2.2 燃料电池高海拔运行特性

2.2.1 燃料电池发电模块运行参数

高原环境下模块阴极侧过量系数及压力随电流的变化如图6、图7所示，过量系数2.0～4.5，随着电流的增大逐渐减小，保持在2.0以上，同时两种状态绝对压差恒定在37 kPa左右。

图6 阴极过量系数

图7 阴极工作压力

2.2.2 燃料电池发电模块运行特性

电堆质子交换膜的干湿程度对电堆的性能和寿命都有比较大的影响，在不发生堵水的情况下，更大的湿度会带来更大的反应活性。在电堆运行过程中阴极侧大量反应生成水除了随空气直接排入大气中，同时还会通过质子交换膜反渗透到阳极侧，这些水少部分随脉冲尾排排放，另外主要通过管路上的分水器排出，因此通过测量排水阀的开启频次，记录模块累计分水时长可以作为一种较为有效的电堆干湿程度的表征方法。在2.2.1节中对应的参数状态下，燃料电池发电模块额定工况下阳极侧分水状态如图8所示。

图8 额定功率分水曲线

对比额定工况下相同模块、相同运行温度下的分水频率，模块在低海拔地区运行时分水量却略多于高海拔环境下的状态，这主要是因为高海拔地区空气湿度较低。

图9 极化曲线

图9中的极化曲线所体现的，可以看到高海拔地区电堆平均电压较低海拔地区电堆平均电压会降低15～35 mV左右。

图10 发电效率

在兼顾压力、过量系数、以及系统整体发电效率的情况下得到图10，发电模块全功率段的运行效率，采用氢气低热值计算，同时输出功率是除去了空压机等辅机功耗的净输出功耗，从图上看出高海拔工况下，模块发电效率在48.9～62.4%，比低海拔工况下低3%～5%左右。

3 结论

高海拔地区空气压力低，主要影响燃料电池阴极侧的过量系数、工作压力，以及空压机功耗等方面影响较大，本文对燃料电池进行阴极侧压力和过氧比的敏感性分析，对压力变化及过氧比变化的影响权重进行了对比，通过将过量系数确定在2.1左右，保持工作表压与低海拔地区一致，获得了燃料电池48.9～62.4%的净输出效率，为装置的环境通用性提供重要数据支撑。

[1] 苗宇航, 邢路, 程文君, 等. 空冷型PEMFC高海拔地区运行特性研究[J]. 电源技术, 2021, 45(8): 1023-1026.

[2] 詹姆斯·拉米尼, 安德鲁·迪克斯. 燃料电池系统: 原理·设计·应用[M]. 朱红, 译. 北京: 科学出版社, 2006.

[3] 陈骏. 车用燃料电池系统高海拔运行研究[J]. 上海汽车, 2017(2): 3-5.

[4] 秦敬玉, 毛宗强, 徐景明, 等. 过量空气系数对燃料电池发动机输出特性的影响[J]. 汽车工程, 2004, 26(4): 379-381, 385.

Study on the operation characteristics of PEMFC at high altitude

Hu Dan, Zhang Mengyuan, Zhang Wang

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

TM310

A

1003-4862（2023）11-0036-03

2022-11-28

胡旦（1988-），男，工程师，研究方向：燃料电池发电模块控制技术。E-mail：hd_auto@163.com