張傳升，陳鳳祥，高昆鵬，周 蘇

（1.同濟大學 汽車學院，上海201804；2.山東建筑大學 信息與電氣工程學院，山東 濟南250101）

風冷式自呼吸質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange member fuel cell，PEMFC）陰極采用敞開式空氣流場，通過風扇供應空氣，這種強制對流方式一方面起到散熱（或加熱）作用，另一方面影響陰極端空氣的濕度.因此，空氣流量對溫度和濕度都有重要的影響，而且電池性能往往低于外部加濕方式的燃料電池［1］.但是，由于在結(jié)構(gòu)上省去了空氣壓縮機和水冷環(huán)，結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕，這類燃料電池較適用于移動電子設備電源和便攜式應急電源，同時在低速運輸工具方面（如電動自行車、場地車輛或作為增程器等）的應用潛力也不可忽視，具有重要的研究價值.

國內(nèi)外研究多集中于質(zhì)子交換膜自呼吸性能［2］和單片或者多片自呼吸燃料電池性能［3-7］，針對千瓦級電堆的研究鮮有報道.為更好地掌握風冷式自呼吸PEMFC堆的輸入輸出外特性和動態(tài)特性，本文對一款1kW 電堆的入口氫氣壓力和風扇轉(zhuǎn)速進行了正交試驗研究，分析了上述控制量對電堆輸出電壓的影響，相應結(jié)果可以用于驗證這類電堆的機理模型，為完善電堆經(jīng)驗模型和相應的控制模型提供實驗依據(jù).

1 試驗方案

1.1 試驗平臺

試驗電堆為一款自增濕風冷式自呼吸PEMFC堆，72片單池串聯(lián)，峰值功率為1.1kW，燃料為純氫，氫氣工作壓力推薦值為150～165kPa，最高工作溫度為65 ℃.4個風扇一方面保證反應所需的氧氣量（空氣量），另一方面則起到調(diào)節(jié)電堆溫度的作用.單個風扇最高轉(zhuǎn)速為4 800r·min-1，最大風量為3.12m3·min-1，最大電功率為12 W.氫氣貯存在壓力為15MPa的鋼瓶，經(jīng)過兩級減壓至氫氣入口電磁開關(guān)閥，二級減壓閥壓力調(diào)節(jié)由手動操作.試驗負載由一款12kW 電子負載提供.風扇轉(zhuǎn)速由電子控制器采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）調(diào)壓法控制.環(huán)境溫度為8 ℃，空氣濕度為80%.平臺結(jié)構(gòu)如圖1所示.

圖1 測試平臺結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of test bench

1.2 試驗指標、試驗因素和水平

本文的試驗指標選擇燃料電池電堆輸出電壓.在應用場合，電堆內(nèi)部的溫度、濕度和反應氣體濃度難以測量，本文的測試平臺采用控制入口氫氣壓力改變陽極氫氣濃度，控制風扇轉(zhuǎn)速改變陰極氧氣濃度、反應區(qū)域溫度和濕度.因此，選擇入口氫氣壓力和風扇轉(zhuǎn)速為試驗因素.測試工況點按照給定的極化曲線，分別在低、中、高電流區(qū)域選擇兩個工作點，即（2A 和5 A）、（10 A 和15 A）和（20 A 和22.5 A）.入口氫氣壓力因素水平在電堆推薦的工作壓力范圍附近，設定為3個水平值.轉(zhuǎn)速因素水平根據(jù)不同的工作點分別選擇相應的5個水平值，具體數(shù)值見表1.表中，P為入口氫氣壓力，kPa；n為風扇轉(zhuǎn)速，r·min-1；λ為空氣過量系數(shù).

1.3 試驗方法

每一個工況點的試驗步驟為：①調(diào)節(jié)氫氣減壓閥至指定水平；②打開氫氣進氣截止閥；③調(diào)節(jié)風扇轉(zhuǎn)速使其達到相應水平值；④按照相應工況點，設定電子負載電流值；⑤加載；⑥觀察電堆輸出功率，穩(wěn)定后運行2min；⑦記錄電堆輸出功率、電壓，風扇轉(zhuǎn)速，氫氣入口壓力；⑧重新設定風扇轉(zhuǎn)速至另一水平；⑨重復⑥～⑧步驟；⑩卸載，關(guān)閉氫氣入口截止閥，關(guān)閉風扇；嘕調(diào)節(jié)氫氣入口壓力至另一水平，重復②～⑩步驟.整個試驗過程需要90 次試驗.

表1 氫氣壓力水平值與不同工況點風扇轉(zhuǎn)速水平值Tab.1 Level-values of hydrogen pressure and fan rate at each work point

2 試驗結(jié)果與處理

剔除6個工作點試驗數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)，然后計算每個因素各個水平的電壓均值，并進一步計算相應的極差，計算得出的數(shù)據(jù)見表2～表7所示.從表中可以看出在低電流工作區(qū)氫氣入口壓力因素的極差較大（＞3）.將兩個因素在全部工作點的均值分別繪制于圖2和圖3.

表2 2A 極差分析Tab.2 Range analysis of 2A

表3 5A 極差分析Tab.3 Range analysis of 5A

表4 10A 極差分析Tab.4 Range analysis of 10A

表5 15A 極差分析Tab.5 Range analysis of 15A

表6 20A 極差分析Tab.6 Range analysis of 20A

表7 22.5A 極差分析Tab.7 Range analysis of 22.5A

圖2 風扇轉(zhuǎn)速因素分析Fig.2 Analysis of fan rate factor

圖3 氫氣壓力因素分析Fig.3 Analysis of hydrogen pressure

3 討論

3.1 轉(zhuǎn)速和過量系數(shù)的影響

從圖2可以看出，各點大體呈現(xiàn)如下規(guī)律：風扇轉(zhuǎn)速（即空氣流量）存在一個使得電堆性能最優(yōu)的極值，高于和低于該極值，電堆輸出電壓都會衰減.

為驗證這一現(xiàn)象，在10A 工作點擴大風扇轉(zhuǎn)速范圍進行了驗證，轉(zhuǎn)速分別為369，452，533，1 768r·min-1，試驗結(jié)果如圖4所示.可以看出，在10A處，最優(yōu)轉(zhuǎn)速為水平1即686r·min-1.轉(zhuǎn)速高于該值時，電壓下降，1 768r·min-1時電壓為最低，但降幅很小.轉(zhuǎn)速低于轉(zhuǎn)速最優(yōu)值時，電壓也下降，但轉(zhuǎn)速低于533r·min-1時，電壓急劇下降，而且無法穩(wěn)定.從表1可知，每一工作點的風扇所提供的空氣過量系數(shù)均大于23，表明作為反應氣體的氧氣量是充足的.因此，可以排除空氣流量不足對電壓變化的影響.

圖4 10A 工作點的電壓與轉(zhuǎn)速試驗曲線Fig.4 Curve of voltage and fan rate at 10A

風扇轉(zhuǎn)速（空氣流量）對電堆溫度的影響，根據(jù)傳熱原理，可計算如下：

式中：T為電堆內(nèi)部溫度，K；Tamp為環(huán)境溫度，K；Cp1，Cp2分別為電堆和空氣熱容，kJ·m-3·K-1；ncell為電堆單池數(shù)量，量綱一；i為電流，A；u為電堆輸出電壓，V；vair為空氣流量，m3·s-1.

由式（1）可知，在相同的環(huán)境和工況條件下，入口空氣濕度和電化學反應后水生成量不變，空氣流量減少導致堆內(nèi)溫度升高，從而使得飽和蒸氣壓劇烈升高，致使陰極側(cè)相對濕度急劇下降.陰極側(cè)相對濕度下降會導致質(zhì)子交換膜干燥，從而降低了膜中的質(zhì)子傳導率，以致造成電堆電壓遽然下降.電壓下降同時極化電勢升高，使得內(nèi)部產(chǎn)出更多熱量，反過來使得溫度進一步升高，形成正循環(huán)，電壓不斷下降.如果持續(xù)工作最終導致膜完全干燥成為絕緣體［8］，燃料電池停止工作.

與此相反，空氣流量增大會導致溫度下降，使得相對濕度具有增大趨勢.但是，過多的空氣流量會帶走陰極側(cè)的更多水分，陰極側(cè)相對濕度具有降低的趨勢.綜合兩者對于膜相對濕度的影響結(jié)果，可以看出較高空氣流量使得膜相對濕度略有減少，導致電堆輸出電壓有所下降.

由此可見，風扇轉(zhuǎn)速因素對于電堆性能具有決定性影響，考慮到高轉(zhuǎn)速還會增加額外的功耗，因此風扇轉(zhuǎn)速應該按照最優(yōu)值進行控制.對160kPa壓力下的最優(yōu)轉(zhuǎn)速和電流數(shù)據(jù)進行回歸分析，得到最優(yōu)轉(zhuǎn)速計算公式：

式中：n＊為風扇最優(yōu)轉(zhuǎn)速，r·min-1；i為電流，A.擬合曲線如圖5所示.

圖5 160kPa條件下，風扇最優(yōu)轉(zhuǎn)速與電流擬合曲線Fig.5 Fitting curve of optimal fan rate and current at 160kPa

3.2 氫氣壓力影響

從圖3中可以看出，在不同工作點，氫氣壓力對電堆電壓的影響不同.在2A 和5A 低電流工況下，高水平氫氣壓力因素的電堆性能好于低水平氫氣壓力因素.高電流工況下，不同氫氣壓力因素的電堆性能無明顯差異，如圖6所示.由此，認為低電流工況時，氫氣擴散在反應過程中具有重要影響，氫氣入口壓力提高加快了擴散速度，提高了電極反應表面的反應物濃度，從而表現(xiàn)為電池電動勢升高.在高電流工況下，氫氣壓力因素對性能的影響減弱.由于，電堆采用定時排氫策略來解決陽極積水和積氮問題，高壓工作條件下排氫消耗比低壓大.因此，從提高電堆性能和降低氫耗考慮，自呼吸PEMFC 堆的氫氣壓力調(diào)節(jié)宜遵循低電流工況采用高水平氫壓值而高電流工況采用低水平氫壓值的原則.

圖6 電堆電流—電壓曲線Fig.6 Curve of stack voltage and current

4 結(jié)論

針對風冷式自呼吸PEMFC 堆，本文介紹了氫氣壓力和風扇轉(zhuǎn)速對電堆電壓影響的正交試驗.試驗數(shù)據(jù)分析表明，自呼吸自增濕風冷式PEMFC 堆每個工作點的空氣流量存在一個使電池電壓最高的優(yōu)化值，高于該值電壓會衰減緩慢，低于該值電壓性能會迅速衰減；改變氫氣端壓力，電池電壓在低電流工況時有一定差異，在高電流工況沒有明顯變化.造成該現(xiàn)象的原因在于空氣流量高于極值時，空氣會帶走更多的水分，從而使得質(zhì)子交換膜逐漸干燥，阻抗增大，電池電壓衰減；空氣流量低于極值時，空氣流量帶走的熱量減少，使得陰極表面溫度升高，陰極端相對濕度迅速減低，從而導致質(zhì)子交換膜迅速干燥，電池電壓衰減迅速.電堆風扇轉(zhuǎn)速控制應該按照文中提出的最優(yōu)值計算式進行控制以實現(xiàn)電堆最高效率.本文研究中環(huán)境溫度和濕度未有改變，下一步的研究工作將通過控制環(huán)境溫度和濕度來進一步研究電堆的性能.

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