固定電站用燃料電池系統性能衰減的規律

劉亞楠，王遠遠，黃 剛，侯永平

(1.同濟大學汽車學院，上海 201804;2.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804)

中小型固定電站系統在電網崩潰和意外災害等情況下，可作為備用電源保證負載的穩定運行，市場前景可觀［1］。電池性能及壽命是阻礙中小型固定電站系統商業化的關鍵。美國能源部提出，用于固定電站的燃料電池堆的使用壽命為40 000 h 時，燃料電池固定電站才具有較高的經濟效益［2］。影響燃料電池性能的因素有很多，低溫冷啟動、電池運行過程中質子交換膜退化、碳載體腐蝕及電催化劑中毒等，是導致燃料電池性能衰減的主要原因［3－4］。

本文作者對用于某小型固定電站的質子交換膜燃料電池(PEMFC)系統性能衰減的規律進行了試驗研究，旨在為固定電站用燃料電池技術的發展提供理論基礎。

1 試驗方法

燃料電池系統結構示意圖見圖1。

圖1 燃料電池系統結構圖Fig.1 Schematic of the fuel cell system

燃料電池系統由燃料電池堆、水熱管理系統、供氧系統、供氫系統及控制系統等5 部分構成。作為固定電站的備用電源，當市電輸入正常時，市電通過市電整流器為負載提供電源;當市電中斷時，由控制單元啟動燃料電池堆，在啟動過程中，先由輔助電池不間斷地對負載供電，啟動后，生成的電能經過DC/DC 轉化器，為負載提供穩定的直流輸出電源。

燃料電池系統的額定功率為7.5 kW，燃料電池堆(江蘇產)由110 只單體電池串聯組成，膜的總有效工作面積為280 cm2。單體電池的編號規則為:靠近氫氣入口處的單體電池為1 號，依次排列，氫氣出口處的單體電池為110 號。

燃料電池系統由停機狀態啟動，在5 kW 的功率水平下連續運行1 h，然后停機24 h，再進行第2 次試驗;燃料電池系統總運行時間到150 h 后，測試結束。電堆及負載的電壓由LV25-200 LEM 電壓傳感器(北京產)測得，電堆及負載的電流由LA125-P LEM 霍爾電流傳感器(北京產)測得。系統運行時，燃料電池堆的工作溫度為60℃，空氣進口壓力恒定為8 kPa，氫氣進口壓力為55 kPa。

2 結果與討論

2.1 電壓衰減規律

2.1.1 電堆電壓變化特性

燃料電池系統在恒定負載下穩定運行1 h，燃料電池堆電壓及電流的動態特性見圖2。

圖2 恒定負載運行時燃料電池堆電壓及電流的動態特性Fig.2 Transient responses of fuel cell stack voltage and current under constant load

從圖2 可知，電壓穩定在77 V 左右;電流由于排氫過程的存在，有一個周期性的回升現象，當排氫開始時，氫氣流量瞬時增加，電流急劇上升到80 A 的峰值，隨著排氫結束，電流下降至66 A。由燃料電池的極化特性可知，燃料電池電壓損耗主要分為活化損耗，歐姆損耗以及濃差損耗，在中高電流下，燃料電池處于歐姆極化區，故此時燃料電池電壓主要受到歐姆極化的影響。

燃料電池堆電壓隨運行時間的變化特性見圖3。

圖3 燃料電池堆的電壓變化Fig.3 Voltage changing of the fuel cell stack

從圖3 可知，隨著運行時間的延長，電堆電壓總體上呈下降的趨勢。電堆的初始電壓為81.54 V，運行150 h 后，電壓比初始值下降了6.38 V，衰減率為7.82%，衰減速率為0.042 V/h。這說明在長時間的燃料電池系統運行過程中，隨著電極材料的退化，電極極化加劇使電池的歐姆內阻增大。電堆電壓在運行初期下降較快，隨后變緩，0～20 h 運行時間內，電堆電壓的衰減速率為0.26 V/h。

2.1.2 單體電池電壓變化特性

燃料電池堆的性能很大程度上取決于構成電堆單體電池的性能特點，因此，在考察電堆電壓的變化特性后，對單體電池性能的變化規律進行分析。

燃料電池系統由停機狀態起動后，單體電池電壓在空載時是0.9 V 左右，正常運行時單體電池的工作電壓在0.7 V左右。單體電池的極值電壓是體現電池性能的一個重要參數，過高或過低的單體電池電壓都是單體電池出現異常的表現。測試過程中發現，出現極值的單體電池并不總是同一只單體電池，很多單體電池在運行過程中都可能出現瞬時的極值電壓，運行時間超過80 h 后，1 h 連續運行過程中出現最高電壓的單體電池逐漸減少。出現最高電壓次數最多的單體電池，在80 h 以前為43 號和95 號，之后變為73 號;而常出現最低電壓的單體電池為3 號、33 號和71 號。由此可知，極值電壓多出現在40 號之前，60 號之后的單體電池中，靠近燃料電池堆進氣端和排氣端的單體電池容易出現極值電壓。極值電壓的出現是反應氣體在各單體電池中分配不均勻造成的，雙極板加工和流場設計不合理、反應氣體的流速較低及單體電池未及時排水，都會導致此現象的發生。

對具有代表性的單體電池電壓進行分析，1 號電池最靠近燃料電池堆的燃料進氣端，110 號電池是燃料電池堆的末端，3 號電池最常出現最低電壓，而95 號電池最常出現最高電壓。

1 號、3 號、95 號和110 號單體電池電壓隨時間的變化見圖4。

圖4 部分單體電池的電壓變化Fig.4 Voltage changing of some single cells

燃料電池系統在150 h 的運行過程中單體電池平均電壓為0.7 V，從圖4 可知，1 號、3 號、95 號和110 號單體電池的平均電壓分別為0.70 V、0.68 V、0.72 V 和0.69 V，說明3 號和110 號單體電池的電壓低于平均值。單體電池的電壓隨著運行時間的延長而下降，與電堆電壓的衰減趨勢一致。1 號、3 號、95 號和110 號單體電池，電壓的衰減速率分別為0.27 mV/h、0.54 mV/h、0.31 mV/h 和0.34 mV/h。

各單體電池電壓的衰減速率見圖5。

圖5 單體電池的電壓衰減速率Fig.5 Voltage decreasing rate of single cell

從圖5 可知，單體電池電壓平均衰減速率為0.37 mV/h，3 號單體電池電壓衰減最快，衰減率為7.95%，73 號單體電池電壓衰減最慢，衰減速率為0.054 mV/h，衰減率為1.03%。在未出現極值電壓的單體電池中，1～42 號單體電池的衰減速率大于44～110 號單體電池。3 號、33 號及71 號單體電池的電壓衰減速率大于平均值，而43 號和73 號單體電池的電壓衰減速率小于平均值。3 號、33 號及71 號電池在150 h 運行的過程中最常出現最低電壓，而43 號和73 號單體電池最常出現最高電壓，說明高電壓的單體電池衰減最慢，未出現極值電壓的單體電壓衰減次之，低電壓的單體電池衰減最快。

從圖2 和圖5 可得到燃料電池堆電壓和單體電池電壓的衰減率，110 只單體電池中，有12 只單體電池的電壓衰減率高于電堆的衰減率，3 號單體電池的衰減率超過電堆電壓，1 號單體電池的衰減率約為電堆電壓的一半。燃料電池堆的電壓衰減率高于單體電池電壓的平均衰減率，由此可知，性能較差的單體電池對電堆整體性能影響很大，燃料電池串聯時系統的性能受限于最弱的單體電池。

2.1.3 電池電壓的穩定性

電池電壓的穩定性對電池的性能及壽命影響顯著，在恒定負載運行的條件下，電池電壓的穩定性可從電堆電壓的穩定性和各單體電池電壓一致性兩個方面進行研究。

定義電堆電壓的波動系數為λs，用以體現燃料電池堆在運行中的穩定性，計算公式見式(1)。λs越大，電堆電壓越不穩定。電堆電壓值的采樣頻率為1 Hz。

式(1)中:m 是運行時間(3 600 s)，Ui是瞬時電堆電壓值(V)是電壓平均值(V)。

定義單體電池電壓的一致性系數為λc，用以體現在運行過程中，單體電池之間的電壓差異程度，計算公式見式(2)。λc越大，各單體電池電壓之間的差異越大。

式(2)中:n 是單體電池的數量(110)，Uj是每只單體電池的電壓(V)，是各單體電池電壓的平均值(V)。

λs和λc的變化特性見圖6。

圖6 電堆電壓波動系數和單體電池電壓一致性系數Fig.6 The fluctuation coefficient of stack voltage and consistency coefficient of single cell voltage

從圖6 可知，隨著運行時間的延長，電池電壓的穩定性下降。λs的平均值為0.005，波動系數分布較分散，說明電堆電壓在每次運行時的穩定程度變化很大，在40～60 h 的運行時間段內，電堆電壓穩定性最差，主要是操作條件等外在因素導致的。隨著運行時間的延長，λs呈逐漸增大的趨勢，說明燃料電池系統在長時間的運行后，性能退化導致電堆電壓的穩定性下降。隨著運行時間的延長，λc線性增加，由于原料的批次穩定性、電極板的制作及制造工藝等不同，單體電池在運行初期就存在個體差異，而在長時間的運行過程中，由于運行環境、串并聯位置及自放電程度等的影響，λc值比初始值增加了3 倍，單體電池之間的電壓差異增大。

2.2 功率衰減規律

輔助系統的功率由燃料電池系統本身提供，因此輔助功率占總功率的比例，反映了整個系統的匹配情況。

圖7 是燃料電池堆功率和輔助系統功率隨著運行時間的變化特性。

圖7 燃料電池堆功率和輔助系統的功率變化Fig.7 Power changing of fuel cell stack and auxiliary system

從圖7 可知，電堆功率在運行初期為5.6 kW，30 h 時約為6 kW，隨著運行時間的延長而逐漸下降，至90 h 時為最低值5.2 kW，然后隨著時間的延長而略微上升，并且穩定在5.4 kW 左右。由此可知，燃料電池堆的功率大致在5.5 kW左右，隨著運行時間的延長而上下波動，并在總體上呈下降的趨勢，下降速率為2.8 W/h。輔助系統的功率消耗主要由風機、冷卻水泵和散熱風扇的功率組成。輔助功率為0.60～0.75 kW，隨著運行時間的延長略有下降，下降速率為0.4 W/h。

2.3 效率衰減規律

燃料電池堆中的電流經過DC/DC 變換器后提供給負載，對于整個燃料電池系統來說，燃料電池堆生成的功率一部分用于輔助系統的功率消耗，同時，電源系統輸出功率還要考慮電子元件與電路中的功率損失，因此定義電源系統效率η 為負載功率與電堆總功率的比值。

式(3)中:Pl是負載功率(kW)，PS是燃料電池堆功率(kW)。

燃料電池系統效率的變化曲線見圖8。

圖8 燃料電池系統的效率Fig.8 Efficiency of the fuel cell system

從圖8 可知，系統效率的變化范圍為80%～88%，平均值為84%，燃料電池系統的效率在60～100 h 時波動幅度較大，經過150 h 的運行后，系統效率比運行初期下降了3%。從圖7 計算可知，輔助功率約占電堆功率的12%，因此輔助系統功率消耗是影響系統效率的主要因素。

3 結論

本文作者從電壓、功率以及效率等3 個方面研究了固定電站用燃料電池系統在恒負載條件下的性能衰減規律。

在70 A 的恒定電流下，燃料電池堆的功率約為5.5 kW，輔助系統消耗的功率范圍為0.6～0.75 kW，燃料電池系統的效率約為84%。隨著運行時間的增加，電堆電壓的衰減速率為0.042 V/h，單體電池電壓平均下降速率為0.37 mV/h，電堆功率下降速率為2.8 W/h;燃料電池系統運行150 h 后，單體電池一致性下降了3 倍，而系統效率則下降了3%。研究表明:電壓衰減最快的單體電池很大程度上決定了燃料電池堆整體性能，因此，改善單體電池性能及工作模式，對提高燃料電池電站系統的性能和壽命有重大意義。

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