氫氣循環條件下燃料電池中氮氣和水傳輸特性研究

張廣孟, 王學科, 謝曉峰

(1. 北京航天發射技術研究所, 北京 100076; 2. 清華大學 核能與新能源研究院, 北京 100084)

1 前 言

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)發動機供氫系統通常采用氫氣循環模式將電堆陽極出口的氫氣通過氫氣循環回路泵送到陽極入口，循環裝置通常采用氫氣循環泵、引射器等[1-4]。采用氫氣循環的方法，一方面可以實現把尾氣的水分帶入燃料電池起到增濕作用；另一方面可以提高氫氣在燃料電池陽極流道內流速，防止陽極水的累積，避免陽極水淹，提高氫氣利用率。但是，采用氫氣循環模式，電堆運行時也存在一些不利的因素。在氫氣循環過程中，陰極空氣中的氮氣和水蒸氣透過質子交換膜擴散到陽極，長時間運行后會引起氫氣分壓的降低，局部氫氣饑餓，造成電池堆電壓下降，甚至會引起膜電極的電化學腐蝕，導致電池電堆性能發生不可逆下降。因此，需要在運行過程中間歇性打開尾氣排放閥進行吹掃，排出積累在陽極的雜質、氮氣和水。劉煜等[5]對氫氣循環過程進行了穩態系統建模、計算與分析，研究了氫氣循環比、運行溫度、運行壓力、電流密度對系統水氣平衡和電效率的影響，但該模型沒有考慮氮氣傳輸的影響。Jiang 等[6]通過實驗方法研究了氫氣循環條件下電堆性能特性，發現在氫氣循環條件下電堆電壓減小，主要是由于陽極氫氣分壓的降低。本文通過建立氮氣和水傳遞模型，并將其嵌入燃料電池發動機模型中，利用Matlab/Simulink 軟件進行仿真分析，研究電堆結構參數和運行參數對氮氣和水的傳輸過程影響，模擬結果與實驗結果吻合，為氫氣循環條件下燃料電池穩定運行和制定合理的尾氣排放策略提供理論依據和設計參數。……