彭玉林，陳 濤，肖 飛，羅家樂

(武漢理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，湖北武漢 430070)

隨著燃料電池汽車實(shí)用化、商品化進(jìn)程的加快，氫作為車用燃料電池燃料出現(xiàn)了一些問題仍需進(jìn)一步解決[1-2]。質(zhì)子交換膜燃料電池中的水分布至關(guān)重要，水平衡的任何干擾都會導(dǎo)致內(nèi)部故障，包括會影響系統(tǒng)性能和可靠性的電池水淹或膜干燥。PEMFC 故障能夠引起系統(tǒng)性能衰減甚至縮短電堆的使用壽命，對PEMFC 的監(jiān)控和故障診斷成為亟待解決的問題[3]。

對于PEMFC 的水故障診斷，常利用的診斷指標(biāo)有電壓、壓力降、阻抗譜；如陳金奇等[4]在不同進(jìn)氣的相對濕度和電流工況下對PEMFC 電堆進(jìn)行電化學(xué)阻抗譜(EIS)測試，分析PEMFC 電堆內(nèi)部水狀況、提取膜干和水淹故障的典型特征進(jìn)行故障診斷。陽極壓力降只與結(jié)構(gòu)和氣體供應(yīng)工況有關(guān)，受膜退化的影響較小，并且一旦建立好各種故障類型的所對應(yīng)的壓力降偏差的閾值，對往后發(fā)生的故障類型便可以直接進(jìn)行診斷。

Bernardi 等[5]指出通常空氣側(cè)流量較大，帶水能力較強(qiáng)，而氫氣側(cè)氣流速度低，液態(tài)水在流道內(nèi)逐漸積聚，最后堵塞流道。陽極氫氣過量系數(shù)很小，幾乎全部在電化學(xué)反應(yīng)中消耗，對液態(tài)水的吹掃能力遠(yuǎn)弱于陰極，因而對水淹的抵抗能力更弱，需要優(yōu)先診斷。

本文首先建立了陽極單相流壓力降理論模型，然后監(jiān)測不同實(shí)驗(yàn)工況下的陽極壓力降和電壓的變化，最后得到了PEMFC 處于水淹、膜干、缺氫、正常狀態(tài)時的壓力降偏差閾值以及利用陽極壓力降進(jìn)行故障診斷的方法流程。

1 理論基礎(chǔ)

1.1 PEMFC 膜內(nèi)水遷移機(jī)制

PEMFC 的水傳輸示意圖如圖1 所示，在PEMFC 的交換膜中水的遷移方式共有三種：電滲遷移、壓力遷移和濃差擴(kuò)散。電滲遷移是指質(zhì)子以H+(H2O)x的形式從陽極向陰極遷移所帶走的水量。壓力遷移是指在膜兩側(cè)壓力差的作用下從壓力高的一側(cè)傳遞到壓力低的一側(cè)的水量。濃差擴(kuò)散是指在膜兩側(cè)濃度差的作用下從濃度高的一側(cè)傳遞到濃度低的一側(cè)的水量。水傳輸平衡的影響情況可以通過電堆陽極流道內(nèi)的壓力降和電堆電壓進(jìn)行分析和判斷。

圖1 PEMFC的水傳輸示意圖

1.2 PEMFC 中的陽極壓力降理論

燃料電池的流體在經(jīng)過流道后，在此過程中壓力損失包括沿程壓力降損失、局部壓力降損失和加速度損失。當(dāng)燃料電池沒有被水淹時，可以將其看作一個獨(dú)立的流場，PEMFC陰陽極流道流型如圖2 所示。燃料電池復(fù)雜的工作過程中電流、進(jìn)氣濕度、過量進(jìn)氣系數(shù)、進(jìn)氣壓力以及溫度對陽極單相流壓力降都存在一定的影響規(guī)律性。

圖2 陰陽極流道流型示意圖

一般來說，燃料電池中氫氣在流場受重力和加速度影響所造成的壓力降很小，可以忽略不計(jì)，第一項(xiàng)為沿程壓力降，第二項(xiàng)為局部壓力降，局部壓力降跟流道形狀有關(guān)，在蛇形流道中是不容忽視的，陽極壓力降的基本計(jì)算公式如式(1)所示：

1.2.1 沿程壓力降

沿程壓力降：ΔPf=，式中：L為流道長度；d為通道水力直徑；f為燃料電池堆內(nèi)氫氣流層的摩擦系數(shù)；ρ 為氣體密度；v為氣體的流動速度。對于正方形通道有Re·f≈56，雷諾數(shù)Re=rvd/μ。而根據(jù)流速則可以通過流量算得：v=Qx/rANn。在相對濕度不為零的陽極流道內(nèi)包含氫氣和水蒸氣，其總質(zhì)量流量可以通過式(2)計(jì)算得到：

式中：QH、QW(下標(biāo)H 為氫氣，W 為水蒸氣)計(jì)算公式如下，為了計(jì)算方便x=0.5：

式中：Qh為流道入口處的流量。

為了計(jì)算方便，將流道內(nèi)的壓強(qiáng)做近似處理：

混合氣體的密度可由式(7)計(jì)算得到：

式中：d為水力直徑；wc為流道寬度；dc為流道深度。

黏度不僅隨溫度而變化而且與壓力也有關(guān)系，313 K 下混合氣與氫氣黏度相同。文獻(xiàn)[6]給出了由曲線回歸得到的氫與飽和水蒸氣的混合氣體的黏度公式，最終得到沿程壓力降計(jì)算公式如下：

式中：n為流道數(shù)量；N為燃料電池單電池個數(shù)；φ為相對濕度；I為電流；λH為氫氣的化學(xué)計(jì)量比；F為法拉第常數(shù)964 85 C/mol；R為氣體常數(shù)8 314 J/(mol·K)；下標(biāo)sat 表示飽和水蒸氣。

1.2.2 局部壓力降

在燃料電池中，在流道的進(jìn)出口處以及流道的拐角處是產(chǎn)生局部壓力降的關(guān)鍵地方。局部壓力降為：

式中：i為轉(zhuǎn)角數(shù)目，盡管一些幾何壓力損耗系數(shù)ξ可用于各種彎管或彎頭，但沒有一個適合于燃料電池中特定形狀的氣體流動通道。對于90°的彎管，建議采用30f的較大值。

由于局部壓力降數(shù)值相對較小，因此需要盡量簡化公式，如果按照上述的流量和流速公式來計(jì)算將會極為復(fù)雜，取流道中間部分的流速作為平均流速，則有：

因此可以得到局部壓力降為：

1.2.3 總壓力降模型

將沿程壓力降與局部壓力降相加得到總的氫壓力降公式，各個參數(shù)含義如前所述，另外由于該模型主要用于故障分析中，因此忽略了空載(即0 A)時的壓力降變化情況。

式中：n為流道數(shù)量(n=5)；φ為相對濕度(實(shí)驗(yàn)中加濕罐溫度取值為35～60 ℃)；I為電流(實(shí)驗(yàn)中取值為2～24 A)；λH為氫氣的化學(xué)計(jì)量比(實(shí)驗(yàn)中取值為1.2～2.0)；T為電堆溫度(實(shí)驗(yàn)中取值為40～70 ℃)；P為進(jìn)氣壓力(背壓施加范圍為0～70 kPa)；i為流道轉(zhuǎn)角數(shù)量(i=8)；wc為流道寬度(wc=1 mm)；dc為流道深度(dc=1 mm)；L為流道的總長度(L=1 248 mm)。我們將電堆連續(xù)穩(wěn)定運(yùn)行了1 個多小時并測量了此過程的壓力降變化和電壓變化，如圖3 所示，實(shí)驗(yàn)工況條件為：陽極相對濕度79%(加濕罐溫度為50 ℃)、陽極過量系數(shù)為1.2、陽極進(jìn)氣口壓力為111 kPa、電堆溫度60 ℃、電流10 A，理論值由公式計(jì)算得到。從實(shí)驗(yàn)中可以看出推導(dǎo)的模型精度達(dá)到了比較高的水平。

圖3 給定工況下穩(wěn)定運(yùn)行時的陽極壓力降和電壓變化情況

2 故障模擬實(shí)驗(yàn)

測試實(shí)驗(yàn)臺為群翌能源有限公司的PEMFC 測試臺，該實(shí)驗(yàn)臺可實(shí)現(xiàn)對PEMFC 電堆進(jìn)氣的相對濕度(以下簡稱相對濕度)、進(jìn)氣速度和電堆工作溫度的控制。實(shí)驗(yàn)對象為自制的五蛇流道的三級電堆，單片電池之間采用Z 型相連的進(jìn)氣方式，膜的型號為NR211，活化面積為25 cm2。為了研究陽極壓力降在水淹、膜干故障中的變化以及發(fā)生各類型故障時的壓力降閾值，我們設(shè)定了不同工況下的故障模擬實(shí)驗(yàn)。

2.1 水淹實(shí)驗(yàn)

水淹實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表1 所示，其中實(shí)驗(yàn)1 做基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)用于對比。從圖4 可以看出當(dāng)電堆發(fā)生水淹故障時電壓開始出現(xiàn)比較明顯的下降趨勢、陽極壓力降出現(xiàn)較大增幅。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于陽極相對濕度較大，液態(tài)水逐漸在流道內(nèi)積聚影響了氣體的擴(kuò)散導(dǎo)致了進(jìn)出口壓力降的增大以及電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行使電壓下降。

表1 水淹實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

圖4 發(fā)生水淹時的壓力降和電壓變化趨勢

以實(shí)驗(yàn)1 為基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)分別改變了電流、陽極過量系數(shù)、陽極相對濕度、陽極背壓以及電堆溫度，并最終通過實(shí)驗(yàn)分析得到水淹發(fā)生時的壓力降偏差閾值、壓力降變化速率、電壓變化速率。

有文獻(xiàn)將流道內(nèi)水的積聚分為4個階段：單相流、液滴流、薄膜流、水團(tuán)流[7]，本文為了方便說明將液滴流與薄膜流歸在一起。通過計(jì)算開始水淹時壓力降值與薄膜流段的平均壓力降值差(DP2)對于薄膜流與單相流的理論值差(DP1)的比例得到了各個工況下發(fā)生水淹時的壓力降偏差閾值如表2 所示。由實(shí)驗(yàn)分析可知當(dāng)電壓下降速率超過0.060 0 V/min、壓力降偏差值大于20%、壓力降增大速率超過8 Pa/min時我們可以認(rèn)定電堆發(fā)生了水淹故障，我們認(rèn)為在滿足其中之二時可以作為水淹的預(yù)警。

表2 各個工況下發(fā)生水淹時的壓力降變化速率及電壓變化速率

2.2 膜干實(shí)驗(yàn)

膜干實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置如表3 所示。其中關(guān)于陽極濕度的設(shè)置方式的說明：當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定相對濕度穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后將加濕罐關(guān)掉以通入干氫氣，加速膜干的發(fā)生以節(jié)省實(shí)驗(yàn)所需時間；由分析可知每組工況發(fā)生膜干時的壓力降閾值小于該組采用“極端”方式的閾值(當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定相對濕度穩(wěn)定運(yùn)行一段時間后，關(guān)閉加濕通入干氫氣，加速了該組工況下膜干的發(fā)生)。從圖5 可以看出當(dāng)電堆發(fā)生膜干故障時電壓開始出現(xiàn)比較明顯的下降趨勢、陽極壓力降幾乎無變化。隨著反應(yīng)的進(jìn)行，由于陽極相對濕度較低，液態(tài)水逐漸在流道內(nèi)被吹出使得膜含水量下降，影響電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行使電壓下降。

圖5 發(fā)生膜干時的壓力降和電壓變化趨勢

從圖5 可以看出，當(dāng)反應(yīng)達(dá)到一定程度時陽極壓力降會由于流道內(nèi)的水薄膜被破壞，使得流道的阻力系數(shù)增大，從而使得陽極壓力降也增大，但這個增大量比水淹造成的增大量小得多且會趨于穩(wěn)定。

通過計(jì)算膜干后DP2對于DP1的比例得到了各個工況下發(fā)生膜干時的壓力降偏差閾值如表4 所示。由實(shí)驗(yàn)分析可知當(dāng)電壓下降速率超過0.008 V/min、壓力降偏差值不超過8%、壓力降增大速率不超過8 Pa/min 時可以認(rèn)定電堆發(fā)生了膜干故障，我們認(rèn)為在滿足其中之二時可以作為膜干的預(yù)警。

表4 各個工況下發(fā)生膜干時的壓力降變化速率及電壓變化速率

2.3 缺氫實(shí)驗(yàn)

由于缺氫實(shí)驗(yàn)中最重要的參數(shù)為陽極過量系數(shù)，因此我們在實(shí)驗(yàn)中減小陽極過量系數(shù)來模擬缺氫故障，為了更好地模擬缺氫故障需要減小初始流量，并且為了保護(hù)電池最好在小電流下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。如實(shí)驗(yàn)1 當(dāng)電堆穩(wěn)定運(yùn)行時將過量系數(shù)由1.2 變?yōu)?.1，實(shí)驗(yàn)工況如表5 所示。

表5 缺氫實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示除了實(shí)驗(yàn)1 的壓力降閾值在15%左右，實(shí)驗(yàn)2 和實(shí)驗(yàn)3 的壓力降閾值都非常大。如圖6 所示，當(dāng)電堆出現(xiàn)缺氫時，電壓和壓力降出現(xiàn)快速下降。各個工況下發(fā)生缺氫時的壓力降偏差閾值如表6 所示。

表6 各個工況下發(fā)生缺氫時的壓力降變化速率及電壓變化速率

圖6 發(fā)生缺氫時的壓力降和電壓變化趨勢

為了避免缺氫故障造成電堆損耗，我們建議當(dāng)電壓下降速率超過0.03 V/min、壓力降偏差值小于－15%、壓力降減小速率超過24 Pa/min 時作為缺氫故障的閾值，以保護(hù)電池不產(chǎn)生損壞，我們認(rèn)為在滿足其中之二時可以作為缺氫的預(yù)警。

3 結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明PEMFC 發(fā)生水淹、膜干、缺氫故障時的陽極壓力降和電壓的變化情況不同，陽極水淹時流道內(nèi)的水堵塞了氣體的流動造成壓力降的增大和阻礙了電化學(xué)原料的供應(yīng)，造成電壓的下降；膜干時陽極流道沒有液態(tài)水，對陽極流道內(nèi)壓力降影響很小，但膜的含水量下降對H+(H2O)x的運(yùn)輸造成電堆電壓下降；陽極缺氫時氣體供應(yīng)量減少產(chǎn)生的壓力降減小、電堆電壓下降。因此我們能夠依據(jù)測量的電壓和陽極壓力降快速診斷出水淹、膜干、缺氫和正常4 種狀態(tài)，最后我們將此方法的流程總結(jié)為如圖7 所示，其中Dp指陽極壓力降偏差閾值，Dr指壓力降變化速率(增大為正，減小為負(fù))，Vr指電壓下降速率。

圖7 診斷流程圖

4 結(jié)論

我們通過設(shè)置不同的實(shí)驗(yàn)工況分別得到水淹、膜干、缺氫時的陽極進(jìn)出口的壓力降和PEMFC 電壓的變化并對電堆的故障類型進(jìn)行診斷。得出結(jié)論如下：

(1)本文建立了陽極的單相流壓力降的理論模型，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了模型的有效性和精度。

(2)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：電壓下降速率超過0.060 0 V/min、壓力降偏差值大于20%、壓力降增大速率超過8 Pa/min 時PEMFC電堆發(fā)生了水淹故障；電壓下降速率超過0.008 V/min、壓力降偏差值不超過8%、壓力降增大速率不超過8 Pa/min 時PEMFC 電堆發(fā)生了膜干故障；電壓下降速率超過0.03 V/min、壓力降偏差值小于－15%、壓力降變化速率超過24 Pa/min 時發(fā)生了缺氫故障。

我們在分別在一定范圍內(nèi)改變了陽極過量系數(shù)、陽極相對濕度、陽極進(jìn)口壓力、電堆溫度、電流以得到某單一參數(shù)所引起故障時的最大壓力降或最小壓力降變化閾值，并沒有考慮幾個參數(shù)同時變化引起的故障，另外在設(shè)置陰極參數(shù)時消除或弱化了陰極的影響，并且電堆的供氣系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和監(jiān)測裝置都需要保證其健康穩(wěn)定運(yùn)行，上述影響因素都將限制以上結(jié)論的成立。