質子交換膜燃料電池陽極尾排控制綜述

周敬

摘 要：質子交換膜燃料電池具有發電效率高、環境污染少等優點，具有廣闊的應用前景。但在運行中，氮氣和水會透過質子交換膜擴散到陽極，若長時間不排出后會導致電堆性能下降，若頻繁排出則會降低氫氣利用率。本文針對在燃料電池應用中的尾排控制策略進行了歸納和綜述。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池 陽極 尾排

1 研究背景與意義

在汽車儲存能量的各種方式中，燃料的“碳減排”是可持續發展的關鍵，而氫燃料不含任何碳，是理想的燃料[1]。當前全球正齊力應對氣候變化，碳中和已成為一個全球性的潮流。質子交換膜燃料電池（PEMFC）由于其噪音低、高效、清潔環保等優點，成為潛力巨大的能源裝置之一。燃料電池及其系統的壽命是商業化發展道路上一個重要的因素。在燃料電池系統運行過程中，處于高溫高壓狀態，氫氧反應生成的液態水大部分流出電堆，但在壓力、濃度等因素的作用下，陰極側的水和空氣中的氮氣會透過質子交換膜擴散到陽極，長時間運行，如果陽極的尾排系統不能及時排出，就會導致水在陽極累積，引起局部水淹，堵塞流道等問題，同時也會積累雜質氣體，降低氫氣分壓，影響反應效率，導致電堆性能下降。為了減少氮氣和水對電堆的影響，會對陽極進行尾排處理，但在排除氮氣和水的同時，也會同時將氫氣排出，降低了氫氣的利用率，因此合理地排出積累的陽極雜質、氮氣和水至關重要[2，3]。

2 燃料電池工作原理

氫燃料電池是將氫氣和氧氣的化學能轉換成電能的發電系統。氫氣在陽極催化劑的作用下分解成質子和電子。質子穿過電解質膜，與陰極氧反應生成水，而電子通過外電路形成電流。

氫氧化學反應式：

如圖1所示為燃料電池單池原理結構[4]。

因質子交換膜的特性及高溫高壓的環境，會不斷有氮氣和水滲透到陽極，質子交換膜燃料電池的水氣管理對其性能和耐久性均有重要的影響，為了保證燃料電池的性能，必須及時排出積累的氮氣和水分[5]。

3 燃料電池尾排策略

氮氣或水的滲透率不僅與膜電極的材料、工作溫度和壓力等有關，還會隨著電流密度增加而增加，因此尾排的控制策略可能受各種因素的影響[6]。

3.1 脈沖式尾排策略

燃料電池系統運行時，氫空反應產生的水以及剩余的雜質氣體在相同工況下較固定，可以依靠多次試驗和經驗進行尾排的策略制定。脈沖式尾排策略的核心是現場標定，容易實現，在不同的條件下找到最優的尾排方法，在整車應用上較多，主要方法是通過試驗標定的方法確定尾排的頻率，根據燃料電池產水量和滲透量以及電堆水出溫度等進行尾排頻率和尾排時長的標定。具體工作流程如下：

在燃料電池系統運行時，工況不同，電流也不同，隨著電流的升高，電池陰極側產生的水量增加，析出液態水的速度加快，電池內部“水淹”也加快，電池性能衰減速率增加，因此要對不同的工況即不同的電流密度進行標定。

在標定測試過程中，在相同的電流密度下固定尾排頻率，調整尾排閥的開啟時長，測試記錄在不同開啟時長情況下，尾排氫濃度的變化。尾排閥的開啟時長關系到氫氣利用率和雜質排出的效果，因此必須選擇一個平衡點，得到合適的尾排時間。同樣，在相同的電密下，固定尾排閥的開啟時長，調整尾排閥的開啟頻率，標定期間實時監測尾排氫濃度和電堆單體電壓，找到在不會出現電堆單體故障的前提下氫氣利用率最大的排氫頻率。以此類推完成所有電密點下的尾排標定。標定期間也可以根據電堆出水口溫度對尾排頻率進行補償，防止在溫度較低時水氣液化，長期未排放導致電堆水淹。在保證系統正常運行的情況下，盡可能少地排出氫氣，保證電堆的安全性和氫氣的利用率[7，8]。

3.2 氫循環濕度控制策略

此方法的主要策略在于通過氫氣循環噴射泵可以引射電堆陽極出口未反應完的氫氣，與氫循環噴射泵的進口氫氣混合后進入燃料電池電堆陽極入口，完成氫氣回收，同時在陽極側增加濕度傳感器進行濕度檢測，分別進行排氣和排水的控制[9]。

在穩態條件下，通過假設噴射泵入口會持續穩定通入一個單位的純氫氣，以及某個時刻N△t前未反應的循環氫氣所占進堆氫氣的質量比例為an。可以推導得到在第N個時刻末，燃料電池電堆陽極未反應的氫氣質量。而后進行循環過程中雜質氣體含量的推導。設在N次循環中雜質氣體累計的含量為φ，循環過程中輸入的氫氣含量為Q，雜質提起的所占比例為α[9]，則

φ＝Qα

根據每次循環輸入系統的氫氣含量以及每次雜質氣體所占的比例，得到在N此循環后雜質氣體的累計含量。設N次循環后需要進行尾氣排放時雜質氣體的閾值為β，當φ≥β時，打開排氣閥進行排放。除了雜質氣體還需要考慮水汽的含量，當水的含量大到影響質子交換膜性能時需要進行排水。通過在陽極側增加濕度傳感器來采集的濕度數據，實時檢測到的濕度δ，需要進行排水的濕度閾值為θ，當δ≥θ時，則需要打開排水閥進行排水。這樣通過分別控制排氣和排水使系統持續運行在高性能情況下[9]。

3.3 電壓氮濃度檢測控制

此尾排控制器策略主要利用電壓巡檢儀和氮氣濃度傳感器得到燃料電池電堆電壓和氮氣濃度值來控制尾排的開啟和關閉[10]。

燃料電池電堆運行期間，在陽極不斷積累雜質氣體和水汽，若不及時排出，會導致電堆電壓出現單低或雜質氣體堆積，雜質氣體多是氮氣。整體策略為實時監測燃料電池電堆的電壓和陽極電堆出口處的氮氣濃度，當燃料電池系統在關閉尾排期間的電壓壓降值大于預設的壓降閾值時，打開尾排開始排放，當電堆陽極出口處的氮氣濃度小于預設的氮氣濃度閾值時，關閉尾排，從而控制電堆的尾排開啟間隔和開啟時長，流程圖如下[10]。

為了更加精確地控制，更全面地反映電堆工作狀態，對電壓壓降的判斷，可以通過燃料電池電堆的平均電壓和最低電壓進行綜合判斷。平均電壓壓降或最低電壓壓降小于對應預設的壓降閾值時，均可控制電堆出口進行排氫。同時，根據在不同的輸出功率下，電堆工作狀態不同，可通過試驗標定不同的壓降閾值或氮氣濃度閾值。對尾排開啟間隔和開啟時長的精確控制，在保證燃料電池電堆電壓穩定性的基礎上防止氫氣浪費[10]。

3.4 氫循環尾排聯合控制

燃料電池系統進行尾排控制主要為了排出水和氮氣，防止在陽極累積影響電堆性能，同時提高氫氣利用率。此策略主要將排水閥、排氫閥和循環泵進行聯動控制，通過改變循環泵轉速、排水閥頻率和排氫閥頻率實現高效的尾排控制。考慮到系統的耐久性，防止出現水淹，優先考慮排水，而后再考慮排氫。循環泵在運轉時，使氫氣循環回電堆入口，停轉時，氮氣質量較大，受重力作用在出口管路中蓄積，打開排氫閥，可更多地排出氮氣，減少氫氣排出。在使用循環泵進行循環控制的同時，通過算法估算和試驗標定的方式得到排水排氮的周期和開啟時間[11]。

燃料電池為氫氧反應產生水，同時考慮到溫度對水狀態的影響，根據電堆輸出電流和溫度估算液態水量，計算排水閥開啟時間，標定排水的周期，實現排水控制。而滲透到陽極測的氮氣量與所電堆反應消耗的空氣量以及壓力有關，根據電流和氫氣壓力估算陰極擴散到陽極的氮氣量，計算排氫氫的開啟時間，標定排氫周期，實現排氫控制[11]。

估算算法能夠適用于系統常規穩定運行的場景，針對實際運行時可能出現異常情況，還需要根據電堆當前的狀態進行特殊處理。當陽極積水后燃料電池會出現單體電壓較低的情況，因此可以通過監測燃料電池堆陽極出口附近m片單體電壓平均值Vmp和總單體電壓平均值Vp，當Vp-Vmp>設定閾值V0，認為出現單低情況，排水異常。V0可根據燃料電池電堆的出廠技術參數確定，保證單體電壓壓降不超過某個值，且單體一致性較好。當Vp

此方法在常規的排氫排水控制基礎上，增加了策略的優先級選擇，同時配合循環泵，利用氮氣質量更大的特點提高了氫氣的利用率。

4 結語

質子交換膜燃料電池的性能和耐久性提升是在整車應用中的重要一環，而陽極尾排的控制直接影響到了系統的性能和壽命，同時也決定了氫氣利用率的高低。本文分別對脈沖式尾排控制、氫循環濕度控制、電壓氮濃度檢測控制及氫循環尾排聯合控制四種燃料電池的尾排控制策略進行綜述，為燃料電池的尾排控制提供了理論指導。

本文受國家重點研發計劃資助

（2020YFB1506302）。

參考文獻：

[1]ROLF STROMBERGER. Development of a hydrogen infrastructure taking cost and emission reduction into consideration[C]. //第2屆中國國際可再生能源設備與技術國際研討會論文集. 2005：55-62.

[2]張廣孟，王學科，謝曉峰. 氫氣循環條件下燃料電池中氮氣和水傳輸特性研究[J]. 高校化學工程學報，2020，34（6）：1386-1392. DOI：10.3969/j.issn.1003-9015.2020.06.007.

[3]山東國創燃料電池技術創新中心有限公司. 一種燃料電池氫氣循環系統及排氫排水方法：CN202111641190.1[P]. 2022-04-12.

[4]Sasaki K， Li H W， Hayashi A， et al. Hydrogen Energy Enginee -ring[M].Springer， 2016.

[5]陳奔.質子交換膜燃料電池水氣管理研究及其優化設計[D]. 湖北：武漢理工大學，2015. DOI：10.7666/d.D794381.

[6]崔保莊，劉永峰，裴普成，等. 陽極水含量對車用燃料電池性能影響[J]. 電源技術，2018，42（9）：1337-1340. DOI：10.3969/j.issn.1002-087X.2018.09.025.

[7]丁新立.質子交換膜燃料電池系統陽極尾排策略研究[J].汽車實用技術，2021，46（1）：10-13. DOI：10.16638/j.cnki.1671-7988.2021.01.004.

[8]Han I S，Jeong J，Shin H K. PEM fuel-cell stack design for improved fuel utilization[J].International Journal of Hydrogen Energy， 2013， 38：11996-12006.

[9]武漢船用電力推進裝置研究所（中國船舶重工集團公司第七一二研究所）. 一種質子交換膜燃料電池氫氣循環系統及其雜質尾排控制方法：CN202011385191.X[P]. 2021-04-09.

[10]上海汽車集團股份有限公司.燃料電池陽極間歇排氫系統及其控制方法：CN201410766742.5[P]. 2016-07-06.

[11]中國第一汽車股份有限公司.一種燃料電池氫氣循環系統、氫氣回路控制方法及排氫排水方法：CN201911185549.1[P]. 2020-04-17.