氢能是构建以清洁能源为主的综合能源供给系统的重要载体，开发利用氢能已成为中国能源技术发展的重要战略方向[1]。质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC）是以氢气和氧气为原料，将化学能转化为电能的装置，其工作过程涉及温度、压力、流量、湿度、饱和度、浓度、电势与电流等物理量的高度耦合，各物理量之间互相作用，且电堆内部分布的不均匀性与过程的多时间尺度性，共同决定燃料电池系统的工作条件和输出性能。

环境参数与操作条件共同决定燃料电池的工作特性。在环境参数上，我国幅员辽阔，气候变化多样，海南空气温度夏季最高能达到40℃，哈尔滨空气温度冬季最低能达到-40℃；南方空气湿度最高能达到100%，北方的空气湿度最低达到20%；低海拔地区（<300 m）的空气压力约为1 bar，青藏高原海拔3 000 m处空气压力仅为0.67 bar[2]。在操作参数上，文献[3]基于质子交换膜三维单体仿真模型，分析不同工作压力、温度和电堆散热率对燃料电池电堆性能的影响，通过对操作参数的控制优化最大程度地发挥燃料电池运行时的潜能；文献[4]通过分析操作参数中的进气加湿度和电池工作温度对膜内温度分布、膜内含水量分布的影响，揭示电堆输出性能提升机理；文献[5]基于不同工作温度、压力和气体加湿度对直行单流道单体的质子交换膜燃料电池性能影响，得出电堆性能明显改善的操作参数；文献[6]研究发现升高工作温度、运行压力以及降低质子交换膜厚度，均有助于提高燃料电池输出电压，改善燃料电池的性能；文献[7]研究了电堆工作温度、压力和尾气排放速度对质子交换膜燃料电池性能的影响，得出了电堆高效稳定运行的较佳操作条件。

然而，目前研发人员关于燃料电池系统性能的匹配优化中，大多着重于电堆的操作条件，而非实际应用场景下环境条件，忽略了环境参数对燃料电池系统性能和辅助系统功耗的影响，忽略了燃料电池系统在恶劣环境下的适应性和可靠性。因此，研发人员进行燃料电池系统开发时不仅需要对各子系统之间进行匹配和优化，还有必要考虑各环境参数下的燃料电池系统性能，使其能够适应各种环境并具备较好的性能。

1、环境适应性要求

高温环境、高寒环境、高原环境（简称“三高”环境）是对燃料电池发动机，在实际应用中的严峻考验。燃料电池发动机环境适应性要求产品在高温、高寒和低气压下有持续工作或者存储的耐受性[8]。而如何发现和解决氢燃料电池发动机在“三高”环境下存在的技术缺陷，是当前研究面临的一个重要问题。随着相关国家标准的日益完善，“三高”环境试验测试项目已对氢燃料电池发动机性能指标提出了明确要求，如表1所示，其中低温冷启动试验的参考标准为《质子交换膜燃料电池发电系统低温特性测试方法》（GB/T33979-2017），其他试验的参考标准为《燃料电池发动机性能试验方法》（GB/T 24554-2022）。

表1“三高”环境试验测试项目

2、模型与试验校核

燃料电池系统的输出性能一般受阴阳极进气压力、湿度、流量与电堆工作温度等参数影响[5]，不同的参数组合下其输出性能有较大差异，同时辅助子系统的功耗也不同，导致燃料电池系统往往在不同的负载电流或者环境下，需要不同的工作参数组合，以达到系统效率较高的目的。

为保证搭建模型的精度和可靠性，需校核不同阴阳极进气压力、全运行工况下进气流量、湿度与工作温度四组参数组合下燃料电池系统的试验数据和仿真结果。本文用于校核的实验数据共四组，实验编号及参数组合如表2所示，对应的模型编号与实验编号一致。燃料电池电堆试验在27℃恒温并通风良好的室内进行，阴阳极进出口压力与过量比如图1和图2所示。电堆采用国鸿氢能自主研发的G1电堆，节数为145个，活化面积为275 cm2，额定性能为1.6 A/cm2@0.63 V。试验装置为燃料电池系统性能测试台，氢气流量计量程为0～5 g/s，精度为±1%；空气流量计量程为0～255 g/s，精度为±1%；压力传感器量程为75～330 kPa（绝压），精度为±0.5%；温度传感器量程为-40～215℃，精度为±0.1℃。

表2 电堆实验条件

图1 燃料电池进出口压力

图2 燃料电池进气流量及过量比

2.1 进气流量校核

在燃料电池电堆流道内部，压力与流量是耦合的，压力能够影响燃料电池的活化过电势，而流量直接影响着催化层中的水饱和度。因此，为了能够更准确地模拟各种情况下的燃料电池性能，应当准确模拟燃料电池阴阳极的流阻特性。在本模型中，将实验中测量的各个电流下的阴阳极进出口压力、进口温度与相对湿度作为边界条件，通过比较模型计算与实验测量的阴阳极进气流量，对进气系统校核。

如图3所示，在给定阴极进出口压力的条件下，燃料电池阴极进气量试验与仿真的最大计算误差达到3.340%，这说明在全运行工况下，模型阴极拟合的流阻曲线与实验吻合较好，可满足工程上小于5%相对误差（实测值和仿真值间差值，与实测值的比值）的范围要求。

图3 燃料电池阴极进气流量校核

如图4所示，在给定阳极进出口压力的条件下，阳极进气流量试验与仿真的最大误差达到9.403%，超出工程应用允许的误差范围。其原因在于低功率工况下，阳极由于气体流量较小，由阴极反扩散到阳极的水蒸气对阳极的流阻影响较大，从而导致了阳极进气流量计算误差较大；高功率工况下，阳极进气流量试验与仿真的误差，满足工程上小于5%误差范围的要求。文献[5]研究表明，阳极进口压力对燃料电池性能影响较小，故可以通过略微调整进口或出口压力来实现流量的吻合。

图4 燃料电池阳极进气流量校核

2.2 工作温度校核

根据双极板结构可知，冷却液流道与反应物流道相互独立，其仅对电堆起散热冷却作用，故冷却液的压力对于燃料电池的性能影响较小，但冷却液进口温度与流量对燃料电池性能影响较大，两者决定着燃料电池的工作温度。

将实验中测量的冷却液进口温度和流量作为模型的边界条件，通过比较模型计算和试验测量的冷却液出口温度对冷却液进行校核。如图5所示，仿真与试验之间的冷却液出口温差的相对误差小于0.5%，表明模型能够较准确地模拟燃料电池电堆的冷却过程，全工况下电堆温度均拟合良好。

图5 燃料电池冷却液出口温度校核

2.3 输出特性校核

电流与电势作为燃料电池的激励与响应，是所有物理量的中间桥梁。电流大小决定反应物与生成物的消耗与生成，对压力、流量与浓度等物理量有着重要影响；电势高低决定燃料电池输出功率与热功率，影响燃料电池内部温度、湿度与饱和度等物理量。上述物理量又会影响电势的高低，形成了燃料电池工作过程中，各物理量的高度耦合关系。

在保证模型的燃料电池阴阳极进出口压力、阴阳极进气流量、湿度和工作温度与实验条件一致的前提下，通过比较二者的输出电压开展对燃料电池性能的校核。图6为不同工作条件下，燃料电池的仿真极化曲线与实验极化曲线，4条燃料电池模型计算得到的极化曲线与实验值吻合良好，最大相对误差小于3%，满足工程要求。

图6 燃料电池模型极化曲线校核

3、环境参数影响规律分析

基于实测数据验证的燃料电池模型，探究不同环境下各子系统特性参数的耦合机理，分析环境压力、温度和湿度对燃料电池系统性能的影响。

环境参数设置如表3所示，且各个工况下空压机转速、循环泵转速和背压阀开度保持相同，燃料电池进气流量及过量比如图2所示。其中，模型1为基础组，通过改变环境压力，模拟在海拔为0、1 500、3 000 m的燃料电池系统性能，对应表3中的模型1、4、5；通过改变环境温度模拟南方炎热天气和北方寒冷天气下的燃料电池系统性能，对应表3中的模型1、2、3；通过改变环境湿度模拟北方干燥天气和南方潮湿天气下的燃料电池系统性能，对应表3中的模型1、6、7。

表3 燃料电池系统工作环境模拟参数

3.1 环境湿度

模型1、6、7模拟了南北方（或者沿海与内陆）环境湿度对燃料电池系统性能影响，分别对应的正常环境湿度为50%，气候干燥的北方环境湿度为20%，气候湿润的南方环境湿度为100%。

图7为不同环境湿度下，燃料电池系统空压机、循环泵和水泵等辅助系统的寄生功率与系统的净输出功率。三种环境湿度下，燃料电池系统的寄生功率接近，最大功率差为0.2 kW。

图8为不同环境湿度下的系统效率，电流为550 A@2 A/cm2时，其寄生功率分别为28.56、28.58、28.62 kW，占电堆功率比例为21.42%、20.88%、20.25%；占系统功率比例为27.26%、26.26%、25.39%，即燃料电池系统在高电流段效率较低。系统最高效率为0.56@55 A，当电流更小时，辅助系统寄生功率的基础值使得系统效率较低。综合图7与图8可知，不同环境湿度下，燃料电池系统的寄生功率基本一致，即环境湿度对寄生功率影响较小，其效率差异来源于电堆的输出功率。

图7 不同环境湿度下系统功率与寄生功率

图8 不同环境湿度下系统效率

不同环境湿度下的系统极化曲线与功率曲线如图9所示，当电流小于330 A@1.2 A/cm2时，电堆输出电压基本一致，最大差异为1.4 V@330 A。随着环境湿度的升高，电堆电压同步升高[8-9]，当电流为550 A@2 A/cm2时，20%RH与100%RH对应的电堆电压相差约15 V，对应功率相差约8 kW。其原因在于水蒸气的渗透与氢气渗透，随温度和湿度升高而增长[10]，膜的湿润性直接影响膜的导电性[11]，欧姆损失和传质损失降低，故电堆输出性能变好。

图10为燃料电池的进出堆相对湿度，在电堆自加湿作用下，不同环境湿度下的阴极出堆空气相对湿度较为接近，普遍在70%以上；但是进堆相对湿度差异较大，且在55 A后总体上随电流增加而降低。造成该现象的原因如下：1）随着电流增加，空压机转速提高，空气经增压后温度上升，相对湿度降低；2）随着电流增加，进气量增大，流经加湿器的时间缩短，导致加湿器的加湿能力逐渐降低。

图9 不同环境湿度下系统极化曲线

图1 0 燃料电池阴极进出口相对湿度

3.2 环境温度

模型1、2、3模拟环境温度对燃料电池系统性能的影响，分别对应夏季炎热的南方地区30℃、冬季寒冷的中部地区0℃和极寒的北方地区-20℃。

如图11所示，不同环境温度下空压机等辅助系统的寄生功率与系统净输出功率略有差别，电流为550 A@2 A/cm2时，寄生功率分别为28.58、27.58、26.97 kW，占电堆功率比例为20.88%、20.80%、20.41%，占系统功率比例为26.38%、26.26%、25.64%；电流小于440 A@1.6 A/cm2时，低温环境下的寄生功率和系统净输出功率均要高于高温环境，寄生功率的最大差值为3.9 kW@440 A，故低温环境使得燃料电池系统在低于440 A@1.6 A/cm2电流阶段效率较高，如图12所示。

图1 1 不同环境温度下的系统功率与寄生功率

图1 2 不同环境温度下的系统效率

空压机的功耗取决于气体压缩过程中的焓变与效率。环境温度降低，空气密度增加，空压机折合转速升高（83 945 r/min@30℃，88 602 r/min@0℃与92 011 r/min@-20℃），即相同的实际转速下，低温环境下的空压机具有更高的压比与折合流量，同时导致空压机功率为主的寄生功率增加[5]；如图13所示，当电流为550 A@2 A/cm2时，空压机联合运行线的最后匹配点跌出高效区，效率迅速降低，寄生功率迅速增加，且环境温度为30℃时，效率降低幅度更明显，导致其寄生功率大于环境温度-20℃。

图1 3 不同环境温度下的空压机联合运行线

环境温度并不会影响燃料电池的工作温度，其主要由进入电堆的冷却液流量和冷却液进口温度决定。不同环境温度下的电堆进口空气温度几乎一致，其原因在于为达到额定或峰值工况需求的压比，原环境温度下的空气经空压机增压升温后可达180℃以上，再经中冷器降温至电堆进口温度；环境温度通过改变进气密度影响电堆进气流量，低温环境空气流量增加导致空压机功耗增加和电堆输出性能增加。如图14所示，低环境温度条件使得55～440 A燃料电池极化曲线更高，但之后大电流阶段由于进气量过高（阴极过量系数2.09@0℃与2.18@-20℃），吹扫过度导致电堆内部湿度变低，电堆输出性能下降。

图1 4 不同环境温度下的极化曲线

3.3 环境压力

模型1、4、5模拟不同环境压力对燃料电池系统性能的影响，分别对应0 m海拔下环境压力1.00 bar、1 500 m海拔下环境压力0.84 bar和3 000 m海拔下的环境压力0.67 bar。

不同环境压力下的辅助系统寄生功率、系统功率和系统效率，如图15和图16所示。环境压力与寄生功率、系统功率和效率成正比，功率随电流增加而增大，系统效率则反之。当电流为550 A@2 A/cm2时，寄生功率分别为28.58、24.82、20.32 kW，占电堆功率比例为20.88%、19.16%、17.81%，占系统功率比例为26.38%、23.70%、21.67%。

图1 5 不同环境压力下的系统功率与寄生功率

图1 6 不同环境压力下的系统效率

图17为不同环境压力下电堆的进气压力与阴极过量系数，随着环境压力降低，相同空压机转速下的电堆进气压力降低[12]。当环境压力分别为100、84、67 kPa时，对应阴极过量系数分别为2、1.65、1.21。这说明当环境压力降低后，相同的空压机转速下的电堆进气流量会随环境压力降低而减少。尽管减少进气量能降低空压机功耗，但是其系统功率同样下降，说明进气压力、流量的下降导致电堆的输出功率下降量，大于空压机消耗功率的减少量。此外，当阴极过量系数为1.21时可能引起电堆阴极产生“氧饥饿”和“水淹”现象，燃料电池在此过量系数下运行存在一定风险，即当前匹配的燃料电池不能上到3 000 m高原满功率运行，需要降电流或限功率运行。

图1 7 不同环境压力下电堆阴极进气压力与过量系数

不同环境压力下电堆的极化曲线与功率曲线如图18所示。高海拔应用的突出问题是空气稀薄、空气压力低，导致燃料电池发动机各项性能严重下降。随着海拔增加，空气密度和温度下降，空压机效率下降，电堆空气进气量不足导致电堆性能下降[13]。随着环境压力降低，电堆极化曲线下移，67 kPa环境压力下电堆电压最低为207.46 V，对应的单体电压为0.477 V，远低于一般的使用范围（单体电压高于0.56 V）。再次证明了该系统目前的匹配方案不足以在该环境压力下满负荷运行。

图1 8 不同环境压力下的电堆极化曲线与功率曲线

4、结论

基于试验验证的燃料电池系统模型，研究环境压力、环境温度与环境湿度等环境参数对其输出性能影响的规律，并得到以下结论：

1）系统性能在低电密阶段（低于1.2 A/cm2）几乎不受环境湿度影响，其原因是电堆具有一定自加湿能力。高电流密度阶段（高于1.6 A/cm2）受环境湿度影响较大，且随着电流密度的增加影响越明显；在低环境湿度弱加湿情况下，电堆自加湿能力不足将导致高电流密度下燃料电池内阻增大，使得系统输出功率降低；寄生功率在全功率范围内几乎不受环境湿度影响。

2）环境温度对燃料电池系统性能的影响来源于其进气密度改变，从而导致的电堆进气压力与流量改变。环境温度下降，相同空压机转速下折合转速增加，进气流量和压力增大，使得在中高电流密度下电堆内部传质能力增加，进而提高电堆输出电压和系统输出功率；在低电流密度阶段，低环境温度有利于提高系统效率，高电流密度阶段则降低系统效率；在低环境温度，相同空压机转速下会增加空压机功耗，在电流密度1.6 A/cm2下，环境温度为-20℃和30℃时，空压机功耗相差3.9 kW。

3）环境压力下降会直接导致电堆进气流量和电堆入口压力下降，进而致使电堆电压、系统输出和系统效率的显著下降。环境压力下降引起的进气流量和阴极过量系数下降，虽在一定程度上可以降低空压机功耗，但远低于系统输出的减少量；在高海拔大功率需求情况下可能引起“氧饥饿”和“水淹”现象，甚至导致电堆单体电压跌出正常运行范围无法正常运行。

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文章来源:陈意,赵庆尧,李强.环境参数对燃料电池系统性能的影响分析[J].汽车实用技术,2024,49(23):16-23+60.