燃料電池氣體溫濕度與電堆性能分析

張海波，高 勇

燃料電池氣體溫濕度與電堆性能分析

張海波，高 勇

（武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064）

系統性能指標是實現燃料電池工程化應用的瓶頸之一，系統搭建和調試過程中，空氣與燃料溫濕度是影響質子交換膜燃料電池性能的重要因素，對系統控制策略和輔機搭配方案的制定產生很大影響。本文通過實驗與統計相結合的研究方式，研究15 kW燃料電池電堆在增濕溫度分別為60℃、70℃和80℃條件下分別進行氫空單側增濕、雙側增濕和不增濕時的輸出功率、發電效率和單電池電壓一致性。其中輸出功率采用測試臺直接測量、發電效率通過經驗公式計算、電壓一致性則通過巡檢記錄和統計方法相結合的方式評價。結果表明70℃時各增濕方案下優于其他溫度同等濕度條件下的電堆性能，有增濕條件明顯優于無增濕方案電堆性能，而雙側增濕和氫空單側增濕對電堆性能影響不大。

燃料電池 系統性能 溫度 濕度 單片電壓一致性

0 引言

燃料電池的環境適應性研究對系統方案的設計和輔機的選擇具有重要的指導意義，有助于降低輔機功耗、減少系統整體成本、提高系統總體性能。本論文主要通過改變進口氣體的溫度和增濕策略，對自主研發的15 kW質子交換膜燃料電池電堆的輸出功率、氫氣利用率和單片電壓一致性三個方面的指標進行分析和優化。

單片電壓一致性是衡量電堆性能的重要指標，一致性對整個電堆的可靠性和工作性能將造成重大影響，當一致性波動較大時，可能造成局部電流過大、熱點、反極等現象。影響電堆一致性的因素很多，如膜電極、雙極板等關鍵零部件的設計制備工藝、電堆組裝流程、電堆運行環境等。本論文以運行環境因素中的60℃、70℃和80℃三種溫度條件下的氫空單側、雙側和無增濕三種增濕策略為變量對電堆性能進行分析與優化。

1 方法

電堆輸出功率可直接在測試臺讀取；氫氣利用率可通過公式（1）計算[1]：

（1）

當前評價電堆一致性與效率的方法很多[2~4]，本文采用比較各工況下單電池電壓波動數據、氫氣利用率和發電效率的方式進行測試。整個測試分為四組試驗，分別在不加裝增濕系統、單側增濕（氫側、氧側）、兩側增濕系統四種增濕策略下改變增濕溫度（60℃、70℃、80℃），運行15 kW級燃料電池模塊（含135片單電池），完成對系統功能項目的集中檢測。

2 結果

試驗過程監控終端對15 kW燃料電池模塊傳感器數據進行了自動記錄，對自動記錄數據進行了繪圖，為燃料電池模塊各試驗過程功率、電壓、電流曲線，如圖1所示。

圖中紅線（下部）是電流曲線，藍色（上部）是電壓曲線，黑色（中部）是功率曲線。通過對比各次試驗數據可知，加裝增濕系統后電堆運行效果明顯好于未加裝增濕系統，未加裝增濕裝置（圖1（a））的最大輸出功率為12.408 kW，而雙側增濕（圖1（c））的最大輸出功率為15.776 kW；相同試驗條件下的單側增濕試驗，氫側單側增濕時最大輸出功率為15.991 kW，氧側單側增濕（圖1（b））時最大輸出功率為15.856 kW，由試驗結果可知，單獨增濕一側時，最大輸出功率相近，略好于雙側增濕；由增濕溫度對比試驗（圖1（d））可知，80℃時最大輸出功率為16.816 kW，與60℃試驗數據相近。

但60℃實驗過程中，由于單片電壓過低，為保護電堆，系統停機，從而滿負荷運行時間過短。對比80℃增濕試驗，負載平穩增加和氫側單側增濕試驗，載荷從0快速增加到滿負荷，兩次試驗100%負載時系統繼續平穩運行，分析原，負載增加過快時，由于尾排間隔未調整，導致電堆內局部積水，個別單片電壓轉為負壓。解決方式為，小功率電堆模塊運行時，可緩和增加負載（每次1 kW），或不斷減小尾排間隔的同時快速提高負載。此兩種方法，前者較為平穩，但提升到滿負荷運行時間較長；而后者到達滿工況運行時間較短，但氫氧利用率會降低。

電堆試驗本應對比50%工況和額定工況數據，但由于測試臺負載為300 kW，用做15 kW電堆測試時，小功率運行誤差較大，所以此處僅分析滿工況條件下的數據。

將所有滿工況巡檢進行分析可得表1，結合電壓一致性巡檢數據和統計方法分析可見雙側增濕在一致性上明顯好于單側，但由于60℃試驗滿工況運行持續時間較短（僅47次巡檢，每次巡檢間隔2 s），且出現電堆積水自動停機，參考意義不大。故僅就試驗數據可得雙側加濕，增濕水溫度為70℃到80℃時一致性最優，而70℃時雙側增濕數據好于80℃。

燃料電池的發電效率試驗采用理想效率′電壓效率′電流效率′氣體利用率求得。根據燃料電池模塊輸出功率達到50%額定、額定工況下的總電壓及燃料利用率計算電堆本體發電效率，效率計算結果如下表2所示：

表1 各試驗巡檢數據分析

表2 模塊發電效率

3 結論

加載增濕系統后，不論單側增濕，還是雙側增濕，電堆性能均有大幅提高。對于單側增濕試驗來說，氫側或氧側的單側增濕對結果影響不大，但單側增濕方案電堆發電效率略低于雙側增濕方案。且通過溫度試驗得知，70℃時雙側增濕，電堆性能優于60℃和80℃的雙側增濕，但需保持同等試驗條件作進一步驗證。

在下一步工作中，可增加進出口壓力、壓差、啟動溫度、排水方案等更多變量，通過響應面分析，對各影響電堆性能的各種變量進行單變量響應分析和多變量耦合響應分析，更加系統的對電堆環境適應性能力進行深入研究。

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The Analysis of Fuel Cell Performance with the Temperature and Humidity of Input Gas

Zhang Haibo, Gao Yong

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

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TM911.4

A

1003-4862（2019）05-0042-04

2018-11-12

張海波（1986-），男，工程師。研究方向：燃料電池。E-mail: waveandfish@126.com