固定电站用燃料电池系统性能衰减的规律

刘亚楠，王远远，黄 刚，侯永平

(1.同济大学汽车学院，上海 201804;2.同济大学新能源汽车工程中心，上海 201804)

中小型固定电站系统在电网崩溃和意外灾害等情况下，可作为备用电源保证负载的稳定运行，市场前景可观［1］。电池性能及寿命是阻碍中小型固定电站系统商业化的关键。美国能源部提出，用于固定电站的燃料电池堆的使用寿命为40 000 h 时，燃料电池固定电站才具有较高的经济效益［2］。影响燃料电池性能的因素有很多，低温冷启动、电池运行过程中质子交换膜退化、碳载体腐蚀及电催化剂中毒等，是导致燃料电池性能衰减的主要原因［3－4］。

本文作者对用于某小型固定电站的质子交换膜燃料电池(PEMFC)系统性能衰减的规律进行了试验研究，旨在为固定电站用燃料电池技术的发展提供理论基础。

1 试验方法

燃料电池系统结构示意图见图1。

图1 燃料电池系统结构图Fig.1 Schematic of the fuel cell system

燃料电池系统由燃料电池堆、水热管理系统、供氧系统、供氢系统及控制系统等5 部分构成。作为固定电站的备用电源，当市电输入正常时，市电通过市电整流器为负载提供电源;当市电中断时，由控制单元启动燃料电池堆，在启动过程中，先由辅助电池不间断地对负载供电，启动后，生成的电能经过DC/DC 转化器，为负载提供稳定的直流输出电源。

燃料电池系统的额定功率为7.5 kW，燃料电池堆(江苏产)由110 只单体电池串联组成，膜的总有效工作面积为280 cm2。单体电池的编号规则为:靠近氢气入口处的单体电池为1 号，依次排列，氢气出口处的单体电池为110 号。

燃料电池系统由停机状态启动，在5 kW 的功率水平下连续运行1 h，然后停机24 h，再进行第2 次试验;燃料电池系统总运行时间到150 h 后，测试结束。电堆及负载的电压由LV25-200 LEM 电压传感器(北京产)测得，电堆及负载的电流由LA125-P LEM 霍尔电流传感器(北京产)测得。系统运行时，燃料电池堆的工作温度为60℃，空气进口压力恒定为8 kPa，氢气进口压力为55 kPa。

2 结果与讨论

2.1 电压衰减规律

2.1.1 电堆电压变化特性

燃料电池系统在恒定负载下稳定运行1 h，燃料电池堆电压及电流的动态特性见图2。

图2 恒定负载运行时燃料电池堆电压及电流的动态特性Fig.2 Transient responses of fuel cell stack voltage and current under constant load

从图2 可知，电压稳定在77 V 左右;电流由于排氢过程的存在，有一个周期性的回升现象，当排氢开始时，氢气流量瞬时增加，电流急剧上升到80 A 的峰值，随着排氢结束，电流下降至66 A。由燃料电池的极化特性可知，燃料电池电压损耗主要分为活化损耗，欧姆损耗以及浓差损耗，在中高电流下，燃料电池处于欧姆极化区，故此时燃料电池电压主要受到欧姆极化的影响。

燃料电池堆电压随运行时间的变化特性见图3。

图3 燃料电池堆的电压变化Fig.3 Voltage changing of the fuel cell stack

从图3 可知，随着运行时间的延长，电堆电压总体上呈下降的趋势。电堆的初始电压为81.54 V，运行150 h 后，电压比初始值下降了6.38 V，衰减率为7.82%，衰减速率为0.042 V/h。这说明在长时间的燃料电池系统运行过程中，随着电极材料的退化，电极极化加剧使电池的欧姆内阻增大。电堆电压在运行初期下降较快，随后变缓，0～20 h 运行时间内，电堆电压的衰减速率为0.26 V/h。

2.1.2 单体电池电压变化特性

燃料电池堆的性能很大程度上取决于构成电堆单体电池的性能特点，因此，在考察电堆电压的变化特性后，对单体电池性能的变化规律进行分析。

燃料电池系统由停机状态起动后，单体电池电压在空载时是0.9 V 左右，正常运行时单体电池的工作电压在0.7 V左右。单体电池的极值电压是体现电池性能的一个重要参数，过高或过低的单体电池电压都是单体电池出现异常的表现。测试过程中发现，出现极值的单体电池并不总是同一只单体电池，很多单体电池在运行过程中都可能出现瞬时的极值电压，运行时间超过80 h 后，1 h 连续运行过程中出现最高电压的单体电池逐渐减少。出现最高电压次数最多的单体电池，在80 h 以前为43 号和95 号，之后变为73 号;而常出现最低电压的单体电池为3 号、33 号和71 号。由此可知，极值电压多出现在40 号之前，60 号之后的单体电池中，靠近燃料电池堆进气端和排气端的单体电池容易出现极值电压。极值电压的出现是反应气体在各单体电池中分配不均匀造成的，双极板加工和流场设计不合理、反应气体的流速较低及单体电池未及时排水，都会导致此现象的发生。

对具有代表性的单体电池电压进行分析，1 号电池最靠近燃料电池堆的燃料进气端，110 号电池是燃料电池堆的末端，3 号电池最常出现最低电压，而95 号电池最常出现最高电压。

1 号、3 号、95 号和110 号单体电池电压随时间的变化见图4。

图4 部分单体电池的电压变化Fig.4 Voltage changing of some single cells

燃料电池系统在150 h 的运行过程中单体电池平均电压为0.7 V，从图4 可知，1 号、3 号、95 号和110 号单体电池的平均电压分别为0.70 V、0.68 V、0.72 V 和0.69 V，说明3 号和110 号单体电池的电压低于平均值。单体电池的电压随着运行时间的延长而下降，与电堆电压的衰减趋势一致。1 号、3 号、95 号和110 号单体电池，电压的衰减速率分别为0.27 mV/h、0.54 mV/h、0.31 mV/h 和0.34 mV/h。

各单体电池电压的衰减速率见图5。

图5 单体电池的电压衰减速率Fig.5 Voltage decreasing rate of single cell

从图5 可知，单体电池电压平均衰减速率为0.37 mV/h，3 号单体电池电压衰减最快，衰减率为7.95%，73 号单体电池电压衰减最慢，衰减速率为0.054 mV/h，衰减率为1.03%。在未出现极值电压的单体电池中，1～42 号单体电池的衰减速率大于44～110 号单体电池。3 号、33 号及71 号单体电池的电压衰减速率大于平均值，而43 号和73 号单体电池的电压衰减速率小于平均值。3 号、33 号及71 号电池在150 h 运行的过程中最常出现最低电压，而43 号和73 号单体电池最常出现最高电压，说明高电压的单体电池衰减最慢，未出现极值电压的单体电压衰减次之，低电压的单体电池衰减最快。

从图2 和图5 可得到燃料电池堆电压和单体电池电压的衰减率，110 只单体电池中，有12 只单体电池的电压衰减率高于电堆的衰减率，3 号单体电池的衰减率超过电堆电压，1 号单体电池的衰减率约为电堆电压的一半。燃料电池堆的电压衰减率高于单体电池电压的平均衰减率，由此可知，性能较差的单体电池对电堆整体性能影响很大，燃料电池串联时系统的性能受限于最弱的单体电池。

2.1.3 电池电压的稳定性

电池电压的稳定性对电池的性能及寿命影响显著，在恒定负载运行的条件下，电池电压的稳定性可从电堆电压的稳定性和各单体电池电压一致性两个方面进行研究。

定义电堆电压的波动系数为λs，用以体现燃料电池堆在运行中的稳定性，计算公式见式(1)。λs越大，电堆电压越不稳定。电堆电压值的采样频率为1 Hz。

式(1)中:m 是运行时间(3 600 s)，Ui是瞬时电堆电压值(V)是电压平均值(V)。

定义单体电池电压的一致性系数为λc，用以体现在运行过程中，单体电池之间的电压差异程度，计算公式见式(2)。λc越大，各单体电池电压之间的差异越大。

式(2)中:n 是单体电池的数量(110)，Uj是每只单体电池的电压(V)，是各单体电池电压的平均值(V)。

λs和λc的变化特性见图6。

图6 电堆电压波动系数和单体电池电压一致性系数Fig.6 The fluctuation coefficient of stack voltage and consistency coefficient of single cell voltage

从图6 可知，随着运行时间的延长，电池电压的稳定性下降。λs的平均值为0.005，波动系数分布较分散，说明电堆电压在每次运行时的稳定程度变化很大，在40～60 h 的运行时间段内，电堆电压稳定性最差，主要是操作条件等外在因素导致的。随着运行时间的延长，λs呈逐渐增大的趋势，说明燃料电池系统在长时间的运行后，性能退化导致电堆电压的稳定性下降。随着运行时间的延长，λc线性增加，由于原料的批次稳定性、电极板的制作及制造工艺等不同，单体电池在运行初期就存在个体差异，而在长时间的运行过程中，由于运行环境、串并联位置及自放电程度等的影响，λc值比初始值增加了3 倍，单体电池之间的电压差异增大。

2.2 功率衰减规律

辅助系统的功率由燃料电池系统本身提供，因此辅助功率占总功率的比例，反映了整个系统的匹配情况。

图7 是燃料电池堆功率和辅助系统功率随着运行时间的变化特性。

图7 燃料电池堆功率和辅助系统的功率变化Fig.7 Power changing of fuel cell stack and auxiliary system

从图7 可知，电堆功率在运行初期为5.6 kW，30 h 时约为6 kW，随着运行时间的延长而逐渐下降，至90 h 时为最低值5.2 kW，然后随着时间的延长而略微上升，并且稳定在5.4 kW 左右。由此可知，燃料电池堆的功率大致在5.5 kW左右，随着运行时间的延长而上下波动，并在总体上呈下降的趋势，下降速率为2.8 W/h。辅助系统的功率消耗主要由风机、冷却水泵和散热风扇的功率组成。辅助功率为0.60～0.75 kW，随着运行时间的延长略有下降，下降速率为0.4 W/h。

2.3 效率衰减规律

燃料电池堆中的电流经过DC/DC 变换器后提供给负载，对于整个燃料电池系统来说，燃料电池堆生成的功率一部分用于辅助系统的功率消耗，同时，电源系统输出功率还要考虑电子元件与电路中的功率损失，因此定义电源系统效率η 为负载功率与电堆总功率的比值。

式(3)中:Pl是负载功率(kW)，PS是燃料电池堆功率(kW)。

燃料电池系统效率的变化曲线见图8。

图8 燃料电池系统的效率Fig.8 Efficiency of the fuel cell system

从图8 可知，系统效率的变化范围为80%～88%，平均值为84%，燃料电池系统的效率在60～100 h 时波动幅度较大，经过150 h 的运行后，系统效率比运行初期下降了3%。从图7 计算可知，辅助功率约占电堆功率的12%，因此辅助系统功率消耗是影响系统效率的主要因素。

3 结论

本文作者从电压、功率以及效率等3 个方面研究了固定电站用燃料电池系统在恒负载条件下的性能衰减规律。

在70 A 的恒定电流下，燃料电池堆的功率约为5.5 kW，辅助系统消耗的功率范围为0.6～0.75 kW，燃料电池系统的效率约为84%。随着运行时间的增加，电堆电压的衰减速率为0.042 V/h，单体电池电压平均下降速率为0.37 mV/h，电堆功率下降速率为2.8 W/h;燃料电池系统运行150 h 后，单体电池一致性下降了3 倍，而系统效率则下降了3%。研究表明:电压衰减最快的单体电池很大程度上决定了燃料电池堆整体性能，因此，改善单体电池性能及工作模式，对提高燃料电池电站系统的性能和寿命有重大意义。

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