張曉鵬,樸世文,鐘 兵,溫凱凱

[國家汽車質量檢驗檢測中心(襄陽),湖北 襄陽 441004]

燃料電池在環(huán)保、能量轉化效率、功率密度、快速加氫和可回收利用等方面具有優(yōu)勢。在全球能源脫碳加氫的形勢下,燃料電池汽車日益受到人們的關注,特別是在長續(xù)駛里程和重型載貨方面(如燃料電池遠程公交和物流車等)具有優(yōu)勢[1-3]。成本和耐久性是制約燃料電池大規(guī)模商業(yè)化應用的兩大因素[4]。隨著催化劑鉑載量的下降及零部件的規(guī)?；a(chǎn),燃料電池成本逐漸下降,因此,耐久性逐漸成為人們研究的重點。燃料電池系統(tǒng)的啟動及變載,均會對電堆的性能和壽命產(chǎn)生影響[6],在適當?shù)碾妷悍秶鷥群懔鬟\行,對燃料電池的壽命最為有利[5]。在變載過程中,電堆流道的氣體供應和反應生成水的排出,會對電堆的內部催化劑層及擴散層產(chǎn)生影響,在性能上表現(xiàn)為電堆輸出電壓出現(xiàn)波動[7],電壓不能及時響應,電堆內部單體電壓一致性變差。

本文作者針對50 kW質子交換膜燃料電池(PEMFC)電堆,進行不同速率的動態(tài)加載和卸載實驗,對輸出電壓響應時間及單體一致性進行分析,以期為燃料電池系統(tǒng)集成控制中加載速率的設置與單體一致性之間的平衡提供參數(shù),保證動態(tài)響應良好,避免大幅度加載造成電堆性能的不可逆衰減。

1 實驗

1.1 燃料電池電堆

實驗樣品為自主組裝金屬雙極板電堆,有效面積(電極面積)為270 cm2,由288片單體電池組成,額定功率50 kW,電堆電壓巡檢(CVM)為一片一檢,最高運行溫度為75℃,質子交換膜最大壓差為50 kPa。

1.2 測量儀器

實驗采用Kewell FCTS-S-50燃料電池電堆測試系統(tǒng)(合肥產(chǎn))。氫氣流量控制器精度為0.8%讀數(shù)(RD)+0.2%滿量程(FS),響應時間為100ms。溫度傳感器精度≤±0.5%。負載精度:電流精度為0.1%FS+5數(shù)顯分辨率(dgt),響應時間≤10ms;電壓精度為0.1%FS+5dgt,響應時間≤10 ms,功率分辨率為0.01 kW。

1.3 測試操作

1.3.1 活化

首先,將電堆的氫氣、空氣、冷卻水及CVM接口與測試臺連接;然后,將冷卻水入堆溫度設置為65℃,氫氣、空氣露點溫度分別設置為50℃、60℃。為保證充分活化,將氫氣、空氣過量比分別設置為2.0、2.5,氫氣、空氣流量分別設置為0.013 9m3/s、0.041 8m3/s。 以10 A/s的速率將功率加載至40 kW,穩(wěn)定運行60 min,對電堆進行活化。

1.3.2 不同變載速率對動態(tài)響應的影響

電堆在變載過程中可能會出現(xiàn)局部欠氣,導致性能不可逆衰減。為了盡可能排除這種衰減對實驗結果產(chǎn)生的影響,將氫氣、空氣過量比分別設置為2.0、2.5。測試過程中,氫氣、空氣流量隨負載變化而改變,加載前,先提升氣體流量至設定值,卸載時,先降低負載功率,再降低氣體流量至設定值。電堆出口溫度設置為65℃,將電子負載以10 A/s的速率加載至電流密度為0.2 A/cm2(電流為54 A,對應的氫氣、空氣流量分別為0.003 3 m3/s、0.010 0 m3/s),穩(wěn)定運行10 min后,分別以20 A/s、30 A/s和40 A/s的加載速率將電流密度加載至0.6 A/cm2(電流為162 A,對應的氫氣、空氣流量分別為0.011 3 m3/s、0.033 9m3/s),穩(wěn)定運行10min后,以相同的卸載速率卸載至電流密度為0.2 A/cm2(電流為54 A),并穩(wěn)定運行10min,然后停機。記錄整個實驗過程中的電流、電壓和電堆的單體電壓,以及氫氣、空氣流量和壓力。

2 結果與討論

2.1 不同變載速率下電壓響應分析

電堆不同變載速率下的電流變載曲線見圖1。電堆電流首先加載至54 A,穩(wěn)定運行10 min后,按照不同加載速率(20 A/s、30 A/s和40 A/s)加載至162 A,穩(wěn)定運行10 min,按照相同卸載速率卸載至54 A,并穩(wěn)定運行10min。

圖1 不同變載速率下電堆的電流變載曲線Fig.1 Current variable loading curves of stack at different variable loading rates

圖1將整個變載過程分為AB、BC、CD段,然后對AB段與CD段電堆的電壓響應進行分析,同時對B點與D點的單體電壓進行瞬態(tài)分析,研究在不同變載速率下,單體電壓的一致性。

在20A/s、30 A/s和40A/s的加載和卸載速率下,電堆電壓的動態(tài)響應見圖2。

圖2 不同變載速率下電堆的電壓響應Fig.2 Voltage response of the stack at different variable loading rates

將電壓響應過程分為t1、t2兩段:t1段為電流開始變載至電流達到設定值所需的時間,對應電壓開始響應至電壓達到最高或最低值,整個過程為保證電流達到設定值,電壓呈突然下降或上升的趨勢,因此稱t1段為“突變時間”;t2段為電流達到設定值后,隨著電堆內部電化學反應的平衡,電壓逐漸恢復到穩(wěn)態(tài)運行下電壓值所需的時間,因此將電壓從最低值或最高值達到穩(wěn)定值的時間t2稱為“穩(wěn)定時間”。

從圖2可知,隨著加載速率的增加,t1段逐漸縮短而t2段逐漸增加,且相同的速率下,加載、卸載過程t1段區(qū)別不大。這主要是因為:t1段對應的是負載的加載和卸載過程,由臺架設置的加載速率決定,在此階段,電流按設定速率線性加載或卸載至設定電流值,同時,電壓達到最低值或最高值(加載或卸載中電壓的最高值或最低值為U1,變載結束后電壓恢復至穩(wěn)定值U2)。

加載時,電堆需要向外提供更多的電流,即需要更多的氫氣、氧氣參與反應,產(chǎn)生更多的電荷移動,積累到雙電荷層,而實際電荷的轉移速度要快于氫氣、氧氣的傳輸,因此,加載的瞬間,氣體傳遞速率小于電子傳遞速率,催化劑表面處于欠氣狀態(tài),會引起燃料電池出現(xiàn)短期饑餓現(xiàn)象,即反應氣供應不能維持所需的輸出電流[8]。此外,由于輸出電流瞬間增加,會導致陽極的質子傳輸增加、短時失水,電堆內阻增加,使輸出電壓瞬間降低。卸載時,電流突然下降,在反擴散作用下,陰極產(chǎn)生的多余的水可在一定程度上緩解陽極的失水狀態(tài),使電極得到良好的潤濕,內阻降低。此外,電流下降后,空氣和氫氣供應過量,導致電壓出現(xiàn)過沖現(xiàn)象,而后恢復平衡[9]。

不同變載速率下電壓差值ΔU及電堆響應時間t1、t2的結果見表1。

表1 不同變載速率下ΔU(U1-U2)及t1、t2的變化Table 1 Variation of ΔU(U1-U2)andt1、t2 at differentvariable loading rates

從表1可知,隨著加載速率的增加,ΔU和t2逐漸增加,而t1逐漸減小。這是由于加載速率提升后,氣體傳輸與電子傳輸?shù)乃俾什钸M一步拉大,使催化劑表面的欠氣和陽極膜干燥的程度進一步加劇,從而導致ΔU和t2進一步增大。t1為變載指令下達至電流達到設定值的時間,與臺架下發(fā)的變載速率相關,變載速率越快,t1越小。卸載過程中反應物質相對過量,陰極反擴散作用對陽極的失水狀態(tài)給與一定程度的緩解,ΔU和t2的變化沒有明顯的規(guī)律。

2.2 不同變載速率下電堆單體一致性分析

分別對加載及卸載完成的瞬間(圖1中B點及D點)的電壓巡檢結果進行分析,結果如圖3所示。

圖3 不同加載速率下B點和不同卸載速率下D點的瞬時CVM結果Fig.3 Instant cell voltage monitor(CVM)results of point B at different loading rates and point D at different unloading rates

從圖3(a)-(c)可知,隨著加載速率的提升,電堆的平均單體電壓降低,單體電壓的均方差(MSE)升高,電堆內氫氣和空氣的供應更加不均勻,陰極產(chǎn)生的水也無法及時排出,因此造成了電壓下降及電堆單體一致性變差[7]。從圖3(d)-(f)可知,卸載速率對電堆單體平均電壓沒有明顯的影響,單體電壓的MSE也沒有明顯的變化。這是由于在相同氫氣和空氣過量比的條件下,發(fā)生卸載時,空氣和氫氣的過量系數(shù)基本相同,同時陰極產(chǎn)生的水是充足的,陰極側生成水的反擴散效應與卸載速率無關。

對B、D兩點的瞬時單體電壓進行統(tǒng)計學分析,再對計算的MSE值進行分析,結果如圖4所示。

圖4 不同加載、卸載速率下瞬時CVM的MSEFig.4 Mean squared error(MSE)of the instant CVM at different loading and unloading rates

從圖4可知,在加載過程中,隨著加載速率的升高,單體電壓的MSE逐漸升高,表明加載速率越高,單體一致性越差,而卸載過程則無明顯規(guī)律。

3 結論

本文作者通過對活化后的50 kW PEMFC電堆以20 A/s、30 A/s和40 A/s速率進行變載,分析電堆的電壓響應以及瞬時單體電壓一致性。

實現(xiàn)結果表明:隨著加載速率的提升,電堆電壓突變時間t1縮短,而穩(wěn)定時間t2延長;加載過程中,最低電壓與平衡后穩(wěn)定電壓之差ΔU隨著加載速率的升高而升高;隨著加載速率的提升,電堆瞬時單體電壓平均值降低,單體電壓MSE升高,對應電堆單體電壓一致性變差;電堆在卸載過程中,電壓的穩(wěn)定時間t2無明顯規(guī)律,電堆平均電壓及單體電壓一致性也與卸載速率無明顯相關性。

在開發(fā)電堆時,流道設計及氣體擴散選材應考慮變載過程中的氣體傳輸及水擴散。在系統(tǒng)集成控制方面,應考慮動態(tài)響應與單體一致性之間的平衡,既要保證有良好的動態(tài)響應,同時也要監(jiān)控單體電壓,避免大幅度加載對電堆產(chǎn)生不可逆的性能衰減。