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探究提升燃料电池系统氢气利用率的有效措施

2020-06-04 360 上传者：管理员

摘要：为了提高燃料电池系统全工况下的氢气利用率，以空冷型开放式燃料电池系统为实验对象进行了研究。实验结果显示：燃料电池系统运行时，如果阳极出口闭死，电流越高，电压衰减越快。因此，阳极出口须定时排气，以保证燃料电池系统稳定运行。改变阳极进气气压，进气气压越高，系统氢气利用率越低。为了提高氢气利用率，同时保证燃料电池系统稳定运行，低电流放电时，排氢间隔可以适当延长，高电流放电时候，排氢间隔须缩短。全工况下采用统一的排氢间隔(10s)，燃料电池系统放电电流依次为2A、5A及8A的氢气利用率分别为0.6421、0.9280及0.9746；优化排氢模式，采用变化的排氢间隔，低电流2A时排氢间隔延长到30s,5A时排氢间隔延长到20s，高电流时的排氢间隔不变，全工况下系统氢气利用率均超过了0.95。在实验研究的时间段内(约1h)，两种排氢模式的实际耗氢量分别为0.1241g、0.1317g，优化排氢模式后的实际耗氢量节约了约5.77%。

关键词：
全工况
氢气利用率
燃料电池
电池系统
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质子交换膜燃料电池的基本原理是经过电化学反应，将氢气化学能转化为电能，生成水。它具有高效、清洁、噪音小、工作温度低、启动速度快、应用范围广等突出优点，是新一代变革性的发电技术。氢气利用率是燃料电池系统的一个重要参数，高氢气利用率意味着燃料电池系统排放氢气少，不仅提高了系统的安全性，也提高了系统的发电效率[1,2]，因此，燃料电池系统的排氢模式非常重要。燃料电池系统的排氢有三种模式：流通模式、脉冲排放模式及循环模式[3]。

流通模式是阳极出口直接与大气连通，阳极内部气压低，影响电池性能，同时未反应的氢气直接流出，氢气利用率低。循环模式是利用阳极出口安装的循环泵或引射器、气水分离器进行尾气循环，提高了氢气利用率，但是增加了系统的复杂性[4]。同时阳极尾气无限期循环，会积累惰性气体、液态水，影响电池性能。因此，循环模式中需要在阳极出口增加电磁阀，进行定期排放。脉冲排放模式利用阳极出口的电磁阀进行定期排放，能够提高氢气利用率，稳定电池性能。相对来讲，系统结构简单，尤其适用于小功率的燃料电池系统。

燃料电池系统实际运行过程中会经历启动、怠速、低载、高功率等工况[5]，每一个工况下，燃料电池系统内部参数如膜的润湿程度、气体流速、生成水量都有很大不同，这些参数直接或间接的影响了电池性能、氢气利用率等[6]，脉冲排放能够一定程度上解决上述问题。当前燃料电池系统总是在全工况范围内采取统一的脉冲排放周期，呈现出了一定弊端。燃料电池系统低载时候，统一的排放周期导致氢气利用率低，高载时候，阳极累积水、惰性气体无法及时排出[7]。本文以百瓦级的空类型开放式燃料电池系统为对象，分析了变化周期的脉冲排放对燃料电池系统氢气利用率的影响，同时查看了进气气压的影响。

1、实验

1.1 测试平台

实验采用商业化的空冷型质子交换膜燃料电池系统（额定功率200W），单电池片数为40。采用可编程负载调节电池系统功率输出，采用可编程直流电源，给燃料电池控制器、质量流量计及排氢阀提供13V和12V电压，通过控制直流电源的电压变化，控制排氢阀的周期性排放，继而改变阳极出口排氢频率。采用调节阀调节氢气进气气压。实验测试平台示意图如图1所示。

图1 实验测试平台示意图

1.2 氢气利用率计算

氢气利用率计算式[2]，式中，η为氢气利用率；Hflow为实际耗氢量，g/s；由图1中的氢气流量计计量；m为氢气摩尔质量，2.016;n为电化学反应的电子数，2;F为法拉第常数，96485C/mol;N为电堆单电池数量，40;I为燃料电池系统电流，A，由图1中的放电负载进行加载。所有数据均由图1中的计算机自动记录。

2、实验结果与分析

2.1 阳极尾气定期排放的必要性

燃料电池系统阳极出口电磁阀关闭即阳极出口闭死，电池恒电流放电运行，放电电流分别为低载电流2A、中等电流5A及额定功率下的电流8A，运行结果如图2所示。由于阳极出口闭死，则燃料电池系统运行过程中，无氢气外排。

图2 电压-时间曲线

图2显示，燃料电池系统电池电压均有不同程度下降。对图2曲线进行简单线性拟合，放电电流2A、5A及8A下电压曲线的拟合斜率分别是-0.0006、-0.0029及-0.0084。燃料电池系统加载电流越高，电压衰减率越大。燃料电池系统放电电流越高，生成水越多，反渗透到阳极侧的水也会增多，集聚的水一方面会影响气体扩散，一方面也会覆盖部分催化剂活性区，降低电池系统发电性能。同时，反渗透过来的惰性气体也会影响电池性能[8]，因此，高电流运行的燃料电池系统更需要定期排放。运行后期，将电磁阀设置成周期性的开/关，阳极尾气得以周期性的排放。由图3可知，阳极尾气周期性排放后，电池电压均有不同程度恢复，因此，燃料电池系统放电时候，阳极电磁阀必须进行周期性的开/关。

图3 脉冲排氢后电压-时间曲线

2.2 氢气利用率的试验研究

氢气利用率由计算式(1)获得。全工况范围内阳极尾排统一排放周期（排氢频率统一为10s/0.1s，表述的意思是电磁阀间隔10s，排放0.1s，以下排氢频率为相同表述）时，各个电流下的燃料电池系统氢气利用率如图4所示。燃料电池系统高电流（8A）放电时候，系统的氢气利用率为0.9746；低电流（2A）放电时候，系统的氢气利用率只有0.6421，非常低；放电电流5A时候，系统氢气利用率为0.9280。

图4 统一排放周期时全工况下的氢气利用率

将燃料电池系统全工况下的排氢间频率设置为变化模式，即2A、5A及8A下的排氢间隔改变为30s/0.1s、20s/0.1s及10s/0.1s，此排氢方案下，燃料电池系统氢气利用率如图5所示。由图可知，放电电流2A及5A时燃料电池系统的氢气利用率提高到了0.9578和0.9811，分别提高了0.3157、0.0531。利用排氢方案，全工况下燃料电池系统的氢气利用率均超过了0.95。同时对比了燃料电池系统放电电流2A及5A下改变排氢间隔后燃料电池电压变化情况，如图6(a)和图6(b)所示。

图6(a)显示，阳极出口排氢间隔由10s/0.1s改变为30s/0.1s后，电池电压曲线几乎重合，电压衰减率变化不大；图6(b)显示，排氢间隔由10s/0.1s改变20s/0.1s后，电池电压曲线比较分离（这是由于开始记录的初始电压不同造成的），电池电压衰减幅度相近即电池电压衰减率也比较相近。为了量化电池电压衰减情况，将电压-时间曲线也进行简单线性拟合，获得了各种条件下的拟合斜率，如表1所示。表1显示，燃料电池系统在两个电流下线性拟合斜率变化都在0.0001，因此，在试验所选取的排氢间隔下，排氢间隔对燃料电池电压衰减影响不大。

图5 变化排放周期时全工况下的氢气利用率

图6 不同排氢间隔电压-时间曲线

同时研究了阳极进气气压对燃料电池系统氢气利用率的影响，如图7所示。图7(a)和图7(b)为两个燃料电池放电电流下的结果图，两个图均显示，燃料电池阳极进口气压越高，氢气利用率越低。进气气压越高，阳极进口与出口气压差大。排氢时刻即电池阀打开瞬间，外排氢气量越多，因此氢气利用率越小。图7(a)和图7(b)显示，燃料电池低电流工况下，进气气压影响更加显著。

图7 进气气压对氢气利用率影响

2.3 耗氢量对比

将优化后的阳极排氢模式（变化排氢间隔、合适的进气气压约0.3bar,1bar=100kPa）和当前常用的排氢模式（统一排氢间隔）分别作为燃料电池系统全工况运行的设计策略，运行燃料电池系统，燃料电池系统性能曲线如图8所示。由图8可知，在所设计的排氢模式下，燃料电池性几乎不受影响。同时在燃料电池运行过程中，实测两种设计策略下的实际耗氢量。在试验的时间段内，两种设计策略的实际耗氢量分别为：0.1241g氢气（变化排氢间隔的供氢模式）以及0.1317g氢气（统一排氢间隔的供给模式）。优化的变化排氢间隔的排氢策略节省了用氢量，节约了约5.77%。

图8 不同排氢模式下的燃料电池运行情况

3、结论

燃料电池系统运行时候，阳极出口必须进行定时排放，排出累积的液态水及惰性气体，保证燃料电池系统稳定输出。在燃料电池系统全工况范围内，可以依据放电电流大小，优化排氢间隔，提高氢气利用率，降低实际用氢量；同时，在不影响燃料电池放电性能的情况下，尽可能的以较低气压进气，减少外排的氢气量，提高氢气利用率。

参考文献：

[2]侯永平,刘亚楠,蔡强真.燃料电池发动机启动过程效率特性分析[J].汽车工程学报,2013,3(2):89-93.

[5]衣宝廉,侯明.车用燃料电池耐久性的解决策略[J].汽车安全与节能学报,2011,2(2):91-100.

[6]陈奔,王俊,涂正凯,等.基于高氢气利用率的质子交换膜燃料电池运行特性研究[J].工程热物理学报,2016,37(2):373-377.

[7]朱晓舟,陈民武,刘湘东,等.空冷型PEMFC阳极排气方法实验研究[J].储能科学与技术,2018,7(1):118-124.

[8]王俊,陈奔,席清海.脉冲排放对PEMFC性能影响的研究进展[J].电池,2015,45(6):333-335.

翟俊香,何广利,熊亚林.燃料电池系统氢气利用率的试验研究[J].储能科学与技术,2020,9(03):684-687.