大功率 PEMFC 堆環境適應性分析

摘要：在車輛行駛過程中，質子交換膜燃料電池（PEMFC）堆性能受到發動機運行環境的影響。目前關于PEMFC 堆環境適應性的研究，研究對象多為小功率的PEMFC 堆。以大功率PEMFC 堆為試驗對象，采用控制變量法探究不同環境因素對PEMFC 堆性能衰退的影響。結果表明：冷卻液溫度對PEMFC 堆性能衰退的影響較小；空氣相對濕度和氣體溫度對PEMFC 堆性能衰退的影響明顯；氫氣相對濕度對PEMFC 堆性能衰退的影響不明，需要進一步探究。

關鍵詞：質子交換膜燃料電池；環境適應性；控制變量法

0 前言

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有功率密度高、工作溫度低、響應速度快、操作簡便、安全可靠等優點，在新能源汽車領域有著巨大的發展前景［1］。車用PEMFC 堆在實際運行過程中，其性能不僅受到運行工況的影響，還受到環境因素的影響。秦孔建等［2］指出，車用PEMFC 堆性能衰退的影響因素可分為設計及工藝因素、材料因素、系統因素和實際道路因素等，其中系統因素和實際道路因素屬于使用因素，會隨著環境的變化而改變。

國內外學者已經對PEMFC 堆的環境適應性進行了研究。MALEVICH 等［3］基于電化學阻抗譜研究了進氣相對濕度對電化學活性表面積、電荷轉移電阻的影響。張少哲等［4］采用電化學阻抗譜的方法，探究了PEMFC 單電池對不同典型工作條件（溫度、進氣相對濕度、電流密度、壓力和氣體計量比）的敏感性。結果表明：PEMFC 單電池歐姆阻抗受進氣相對濕度影響最明顯，而空氣計量比對中頻段陰極活化阻抗影響最大。馮強［5］對額定功率為14.3 kW 的PEMFC 堆進行了空氣供應系統的條件敏感性試驗，研究了空氣溫度、相對濕度、流量、壓力等對燃料電池的影響，結果表明：空氣溫度和相對濕度對PEMFC 堆性能影響程度基本相同。

隨著數值分析方法的廣泛應用，國內外學者紛紛采用數值分析方法研究PEMFC 的環境適應性。BRèQUE 等［6］采用數值分析方法對PEMFC 濕化狀況影響因素進行研究，結果表明：操作溫度是控制PEMFC 濕化狀況的關鍵參數。楊子榮［7］基于一維瞬態PEMFC 機理模型，探究了運行工況參數（溫度、壓強、相對濕度和化學計量比）對PEMFC堆輸出性能的影響，結果表明：陰極化學計量比、進氣相對濕度對PEMFC 堆性能影響較大，而工作溫度、氣體進口溫度對其性能影響較小。

目前，PEMFC 堆環境適應性研究的對象多為少片數、小功率的PEMFC 堆，而大功率PEMFC 堆的氣體管理、熱管理等更加復雜，受環境影響大于小功率PEMFC 堆。因此，本文對燃料電池卡車的大功率（60 kW）PEMFC 堆進行環境適應性研究，分析環境因素對大功率PEMFC 堆性能的影響。

1 環境適應性試驗的必要性

在車輛運行過程中，PEMFC 的性能受到其運行環境的影響。圖1 為車輛在額定工況下PEMFC堆冷卻液出口溫度隨時間變化的曲線。由圖1 可以看出：額定工況下，PEMFC 堆冷卻液出口溫度存在較大變化。夏季冷卻液溫度接近甚至超過80 ℃，而冬季冷卻液溫度在75 ℃左右，冬、夏季溫差可達5 K。因此可以認為，PEMFC 堆的性能會受到外部環境的影響。最直接的影響是外界環境溫度變化引起的PEMFC 堆冷卻液出口溫度和氣體進口溫度的波動；同時，由于氣體相對濕度對溫度比較敏感，氣體進口溫度的變化也會引起PEMFC 堆內部氣體相對濕度的變化，這會對PEMFC 堆性能造成較大影響。

外部環境對PEMFC 堆性能產生的影響，大部分是可逆的。但長時間的非理想工況條件會對其性能造成不可逆轉的影響［2］。本文采用控制變量法，分析不同環境條件對PEMFC 堆造成的不可逆衰退，探究大功率PEMFC 堆的環境適應性。

2 環境適應性試驗方案

PEMFC 堆的環境適應性試驗，本質上是PEMFC 堆對于輸入環境量的敏感性試驗。本文采用不可逆轉化率來評價研究PEMFC 堆對不同環境條件的敏感性。

采用控制變量法將PEMFC 堆在基準工況和非基準工況條件下交替運行，通過對比前后2 次基準工況的性能差異，最終得到非基準工況下PEMFC 堆性能的不可逆轉化率。環境適應性試驗前后的PEMFC 堆輸出電壓的不可逆轉化率為：

式中：w 為PEMFC 堆輸出電壓的不可逆轉化率，單位%/h；U0 為敏感性測試前基準工況條件下PEMFC 堆輸出電壓，單位V；U1 為敏感性測試后基準工況條件下PEMFC 堆輸出電壓，單位V；t 為非基準工況測試時長，單位h。

采用控制變量法分別研究PEMFC 堆輸出電壓對氫氣相對濕度、空氣相對濕度、氣體進口溫度及冷卻液出口溫度的敏感性。不同環境參數的測試條件見表1。其中，基準工況試驗時長為0.5 h，非基準工況的試驗時長為1.0 h。

3 數據分析方法

PEMFC 堆輸出電壓對空氣相對濕度敏感性試驗曲線如圖2 所示。由圖2 可以看出：空氣相對濕度保持穩定時，PEMFC 堆輸出電壓受到冷卻液出口溫度的影響而不能保持穩定。

為了提高試驗分析結果的合理性，在計算輸出電壓不可逆轉化率前，需要先消除冷卻液出口溫度對輸出電壓的影響。故本文首先分析輸出電壓對冷卻液出口溫度的敏感性。圖3 為冷卻液出口溫度敏感性試驗曲線。由圖3 可以看出：PEMFC 堆輸出電壓的波動與冷卻液出口溫度的波動有著極強的相關性。

將試驗數據根據溫度進行截取分段，并提取其中電壓較為平穩的數據段，得到電壓和冷卻液出口溫度的散點圖，如圖4 所示。對數據進行皮爾遜相關性分析，得到總體相關系數p=0，皮爾遜相關系數r=0.980 3，即輸出電壓與冷卻液出口溫度呈強相關性。對數據進行一維線性擬合，得到擬合曲線如圖4 所示。由圖4 可以看出：可決系數R2 超過0.95，擬合效果極好。

將擬合得到的輸出電壓與冷卻液出口溫度關系代入空氣相對濕度敏感性試驗數據中，對其輸出電壓進行修正，得到修正前后的數據對比如圖5 所示。由圖5 可以看出：輸出電壓的波動得到了一定程度的抑制，因此在對試驗數據進行處理時，首先根據輸出電壓與冷卻液出口溫度的擬合關系，抑制冷卻液出口溫度波動對輸出電壓的影響。

4 試驗結果分析

4. 1 PEMFC 堆輸出電壓對冷卻液出口溫度的敏感性試驗分析

由于PEMFC 堆的輸出電壓與冷卻液出口溫度有著極強的相關性，因此應盡可能選取溫度平穩段的試驗數據進行分析；如果溫度不能保持穩定，則應使數據選取區間的中點盡可能靠近基準工況溫度。冷卻液出口溫度敏感性試驗曲線及選取數據片段如圖6 所示。計算得到的PEMFC 堆平均輸出電壓見表2。

由表2 可以看出：初始基準工況條件下的輸出電壓較高，而經過1.0 h 非基準工況運行后輸出電壓較低，即高溫對PEMFC 堆的性能影響較大。不僅如此，經過1.0 h 非基準工況運行后，PEMFC 堆的輸出電壓差別不大。非基準工況試驗前后PEMFC 堆輸出電壓差別不大，說明PEMFC 堆性能的變化均可逆。

4. 2 PEMFC 堆輸出電壓對氫氣相對濕度敏感性試驗分析

對PEMFC 堆的輸出電壓進行修正后，得到氫氣相對濕度敏感性試驗曲線，如圖7 所示。由圖7可以看出：PEMFC 堆輸出電壓整體呈現下降趨勢，與氫氣相對濕度并沒有呈現出較強的相關性，說明氫氣相對濕度對于PEMFC 堆性能的影響緩慢，具有滯后性。第1 次氫氣相對濕度敏感性試驗的前半段，氫氣相對濕度高于20%，質子交換膜始終處于“過濕”狀態，PEMFC 堆輸出電壓持續降低。當試驗進行至16 000 s 附近時，質子交換膜的“過濕”狀態緩和，PEMFC 堆輸出電壓下降速率減小。在20% 氫氣相對濕度條件下運行0.5 h 后，又在10%氫氣相對濕度條件下運行，質子交換膜處于“過干”狀態，PEMFC 堆輸出電壓繼續降低。

在第1 次氫氣相對濕度敏感性試驗的基礎上，進行了第2 次氫氣相對濕度敏感性試驗，將基準工況試驗時長從0.5 h 延長至1.0 h。試驗結果如圖8 所示。由圖8 可以看出：第2 次氫氣相對濕度敏感性試驗效果并不明顯。第2 次氫氣相對濕度敏感性試驗的前半段，氫氣相對濕度低于20%，質子交換膜處于“過干”狀態，PEMFC 堆輸出電壓持續降低。當試驗進行至18 000 s 時，質子交換膜的“過干”狀態緩和，PEMFC 堆輸出電壓有所回升。之后高相對濕度的氫氣使得質子交換膜進入“ 過濕”狀態，PEMFC 堆輸出電壓再次下降。

基于前2 次試驗，設計了第3 次氫氣相對濕度敏感性試驗，在第2 次氫氣相對濕度敏感性試驗的基礎上，保持基準工況試驗時長為1.0 h，將非基準工況試驗的時長縮短為0.5 h。試驗結果如圖9 所示。由圖9 可以看出：PEMFC 堆輸出電壓整體呈現下降趨勢，與氫氣相對濕度并沒有呈現出較強的相關性，試驗結果依然不理想。對比3 次氫氣相對濕度敏感性試驗結果可知，氫氣相對濕度的變化對PEMFC 堆的性能影響滯后性極強。氫氣相對濕度敏感性的試驗研究需要在更長的時間維度下進行。

4. 3 PEMFC 堆輸出電壓對空氣相對濕度敏感性試驗分析

對PEMFC 堆的輸出電壓進行修正后，可得到空氣相對濕度敏感性的試驗曲線，如圖10 所示。由圖10 可以看出：空氣相對濕度為60% 時，PEMFC 堆輸出電壓趨于穩定，便于進行數據處理。選取較為穩定的試驗數據，可以計算得到PEMFC堆輸出電壓不可逆轉化率，見表3。

由表3 可以看出：空氣相對濕度為50% 時，電壓不可逆轉化率明顯高于另外2 個條件，和預期結果差別較大。由圖10 可以看出：第1 段空氣相對濕度為60% 的試驗曲線中，PEMFC 堆的輸出電壓仍存在較明顯的下降趨勢，即該條件下PEMFC 堆的工作狀態并不穩定。若第1 段空氣相對濕度為60% 的試驗時長足夠，預期測得的PEMFC 堆電壓將比現在的測量值更低，則計算得到的不可逆轉化率也將更小。相較而言，空氣相對濕度為40% 和30% 條件下計算得到的電壓不可逆轉化率更加可靠。

4. 4 PEMFC 堆輸出電壓對氣體進口溫度敏感性試驗分析

對PEMFC 堆的輸出電壓進行修正后，可以得到氣體進口溫度敏感性的試驗曲線，如圖11 所示。由圖11 可以看出：在冷卻液出口溫度變化不大的情況下，PEMFC 堆的輸出電壓與氣體進口溫度（陰陽極氣體進口溫度相同，不做區分）存在相關性。

選取氣體進口溫度為79 ℃工況條件下較為穩定的試驗數據，如圖12 所示。通過圖12 中的試驗數據，可以計算得到PEMFC 堆輸出電壓不可逆轉化率，計算結果見表4。

由圖12 可以看出：在冷卻液出口溫度變化不大的情況下，PEMFC 堆的輸出電壓與氣體進口溫度存在相關性。整個試驗過程中，基準工況電壓呈現下降趨勢，或與堆內反應速率的下降有關。

在正常車用環境下，氣體進口溫度一般小于等于PEMFC 堆的工作溫度，因此本次試驗選取低于基準工況的溫度點。由表4 可以看出，氣體進口溫度對PEMFC 的輸出電壓具有較大影響，但是影響趨勢不明。當氣體溫度下降時，PEMFC堆的輸出電壓不可逆轉化率呈現整體下降且逐漸變緩的趨勢，但在73 ℃的溫度工況點上輸出電壓不可逆轉化率為0，其原因需要進行進一步的試驗探究。

5 結論

本文研究了大功率PEMFC 堆的環境適應性，以PEMFC 堆輸出電壓的不可逆轉化率為指標，分別探究了氫氣相對濕度、空氣相對濕度、氣體進口溫度和冷卻液出口溫度對PEMFC 堆輸出性能的影響，得到如下結論：

（1） 氫氣相對濕度變化對PEMFC 堆輸出性能的影響具有極強的滯后性。探究氫氣相對濕度對大功率PEMFC 堆輸出特性的影響時，需要更長的試驗時長。

（2） 冷卻液出口溫度對PEMFC 堆性能衰退的影響極為有限，其中高于基準工況的溫度對PEMFC 堆性能衰退的影響明顯較大。在有限的范圍內，冷卻液出口溫度變化對PEMFC 堆性能衰退的影響是可逆的。

（3） 空氣相對濕度變化對PEMFC 堆性能衰退有明顯影響。偏離基準工況的相對濕度條件時，偏離值越大，PEMFC 堆性能衰退越快。

（4） 氣體進口溫度對PEMFC 堆性能衰退影響明顯，整體呈現下降且逐步放緩的趨勢，但存在局部異常點。后續可以基于小面積單電池進行分區氣體進口溫度敏感性測試。

參考文獻

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