质子交换膜燃料电池停机策略的实验研究

王 勇, 刘志祥



质子交换膜燃料电池停机策略的实验研究

王 勇, 刘志祥

(西南交通大学电气工程学院, 四川成都 610031)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)停机过程中引起性能衰减的根本原因是阳极侧残留有氢气。为了满足快速消除电堆内残留的氢气，研究提出了利用空冷电堆的风扇对电堆放电和使用辅助负载对电堆中各个单电池单独放电的停机控制策略。通过实验研究对比了直接停机、利用辅助负载整体放电和利用辅助负载对各个单电池单独放电三种停机方式对PEMFC性能的影响。结果表明，利用辅助负载对各个单电池单独放电的停机策略不仅能缩短燃料电池停机后各个单电池维持在高电位的时间，同时也能防止PEMFC停机放电过程中单电池反极现象的发生，是一种十分有效的质子交换膜燃料电池停机策略。

质子交换膜燃料电池；耐久性；停机策略；辅助负载

1 前 言

近年来，燃料电池因其高效环保安全的优势迅速发展，如质子交换膜燃料电池、微生物燃料电池和固体氧化物燃料电池等[1~3]。其中质子交换膜燃料电池(PEMFC)发展最为迅速。PEMFC的寿命一直是制约其大规模商业化应用的关键因素之一。尤其对于车载燃料电池系统，会频繁地经历各种不同形式的工况，如启停工况等。余意等[4,5]测试了PEMFC电堆在启停工况下的性能衰减速率，结果表明停机工况对燃料电池寿命的影响很大。PEMFC在停机过程中引起性能衰减的根本原因是由于在阳极侧残留氢气引起的[6~9]。

燃料电池停机后，迅速消耗阳极侧残留的氢气是延长燃料电池寿命的重要方法[10~12]。其中系统停机控制策略主要分为以下两个方面：1)气体吹扫；2)利用辅助负载。气体吹扫是一种非常有效的办法，能防止电堆阳极形成氢-空界面，但是质子交换膜燃料电池在实际系统中不具备吹扫气体。因此，电堆停机后利用辅助负载消耗残留在电堆中的氢气较为普遍。Kim等[13~15]研究了辅助负载的存在与否对燃料电池经历频繁启停后性能衰减速率的重要影响，结果表明利用辅助负载能够有效地减弱PEMFC停机过程中性能衰减程度和降低电化学活性面积减小速率。王诚等[3]认为缓解碳腐蚀有效的方式是对燃料电池的启停过程采用系统策略控制高电压产生以及缩短其停留时间。但是，当电堆各单片电压均衡性较差时，停机过程中性能较差的单片电池电压会降得很快，当其它单电池电压还很高时，该片电池电压已经降至零，但为了防止其反极化，从而不得不过早地切除停机负载，显著降低了停机电阻的放电效率。

图1 PEMFC停机实验系统

本文针对上述情况提出了新的燃料电池系统停机控制策略，即可以在燃料电池系统停机后，利用电堆自身风扇对电堆整体放电和辅助负载对电堆中各个单电池单独进行放电。通过实验研究对比直接停机、利用辅助负载整体放电和利用辅助负载对各个单电池单独放电三种停机方式对PEMFC性能的影响，证实了利用辅助负载对各个单电池单独放电的停机策略不仅能缩短燃料电池停机后各单电池维持在高电位的时间，同时也能防止PEMFC停机放电过程中单电池反极现象的发生，是一种十分有效的质子交换膜燃料电池停机策略。

2 实验方案

2.1 实验系统

实验系统如图1所示，所用PEMFC为加拿大Ballard公司FCgen®1020ACS空冷自增湿型PEMFC，单电池数13片，额定功率500 W，额定工作电流65 A，最大工作电流75 A，工作温度上限为75℃，PEMFC配备2个DC 24 V/1.5 A的可调速风扇对电堆进行散热和供氧。负载采用ITECH公司的IT8816B，功率为600 W。PLC控制器利用辅助开关控制辅助负载的切入和断开。利用KT848R无纸记录仪采集和记录PEMFC单电池电压。PLC控制器采集环境温度，环境湿度，电堆温度，电堆电压，电堆电流，氢气压力等参数，并控制风扇转速，阳极氢气进气阀、排气阀、负载开关和辅助负载开关的开启和闭合，保证电堆工作在合理状态。

2.2 实验条件

实验在环境温度为18℃~20℃，环境湿度为50%~60%的室内环境中进行。实验过程中，负载采用恒流(CC)模式，停机辅助负载采用恒阻(CR)模式，实验所用的氢气为99.999%的高纯氢，氢气压力为35.29 kPa(即0.36 bar)。PEMFC稳定运行过程中，PEMFC阳极排气间隔2300，每次排气时间为1 s。

图2 直接停机单体电池电压变化趋势

3 实验分析

3.1 直接停机对PEMFC性能的影响

首先采取直接停机的方式停机。停机过程中，切断负载的瞬间，同时关闭氢气进气阀、排气阀和风扇。图2是在15 A的运行负载电流下，PEMFC直接停机后的单电池电压曲线。从图2中可以看出燃料电池停机后，电堆维持在开路电压的时间长达40~45 min，而开路电压容易引起催化剂碳载体氧化腐蚀，造成电堆性能衰减和寿命缩短。直接停机过程中，电堆维持在开路电压的时间过长，这主要是由于电堆停机后残留在阳极侧的氢气所引起的。因此，PEMFC停机后，迅速消耗掉残留在阳极侧的氢气对于缩短开路电压时间和提高电堆寿命显得尤为重要。

3.2 利用辅助负载整体放电对PEMFC性能的影响

针对上述直接停机实验过程中存在的问题，为缩短PEMFC停机后电堆维持在开路电压的时间和加快阳极残留氢气的消耗速度，可以在PEMFC停机后通过在电堆阴阳极两端连接辅助负载(恒电阻)的方式消耗残留在阳极流道内的氢气。具体操作方法为当燃料电池在15 A负载电流下稳定运行后，关闭PEMFC系统，同时关闭氢气进气阀并将辅助负载(辅助负载采用恒电阻，电阻值分别为1、5、10 Ω)切入到电堆两极来消耗残留在电堆阳极侧的氢气，对电堆整体放电，其单电池电压曲线见图3。

图3 恒电阻停机单体电池电压变化趋势

在燃料电池的实际操作中，对PEMFC停机过程中单电池电压的控制是非常有必要的，这是为了防止单电池电压下降过快而导致单电池反极现象的发生。因此，本实验中通过上位机和无纸记录仪监控电堆中各个单电池电压，当电堆中电压最低的单电池快反极时，切断辅助负载，以防止单片电池反极对电堆性能造成负面影响。将图3和图2对比，可以发现，辅助负载的使用不仅可以加快残留在电堆阳极侧氢气的消耗速度，同时也缩短了电堆各单片电池维持高电压的时间，这必然能有效地保护催化剂碳载体和延长电池寿命。但是在PEMFC实际停机过程中，若PEMFC各单片电压均衡性不好，某些性能较差的单片电池很可能出现反极现象。其原因在于如果将辅助负载应用于整个电堆，当某一片或多片单电池不能获得足够的氢气时其电压就会迅速下降，而此时整个电堆电压还处于比较高的水平，外接的辅助负载还会从电堆中抽取电流，这就会导致残留氢气不足的单电池出现由提供能量变成消耗能量的情况，被动的抽取电流，从而出现单电池反极现象。因此，必须确保电堆中最小单片电池电压反极化前将辅助负载切除。若燃料电池电堆中某片性能很差，停机过程中该单片电压会降得过快，为了防止其反极化，从而过早的切除停机负载，大大降低了停机电阻的放电效率。

3.3 利用电堆自身的辅助设备来放电对PEMFC性能的影响

本文又利用空冷电堆自身的散热风扇作为放电负载来对PEMFC进行整体放电。具体操作方法如下：让燃料电池在15A负载电流下稳定运行后，然后关闭PEMFC系统，同时关闭氢气进气阀，并将电堆自身的风扇切入电堆两端来消耗残留在电堆阳极侧的氢气，对电堆整体进行放电，其单电池电压曲线见图4。

图4 风扇停机单体电池电压变化趋势

图5 风扇U-I 特性曲线

电堆自身的散热风扇是非线性感性负载，电堆放电过程中其阻抗值在实时变化，相当于一个动态的放电负载。风扇放电的-特性曲线见图5。风扇其本质是一个直流电机，当风扇两端的电压低于5 V时，风扇不转动，此时电流接近零，可以当作此时风扇已被切开电源。当风扇两端的电压高于5 V时，风扇转动起来，并且随着电压的增加转速越来越快，此时风扇以热能和动能两种形式消耗电能，动能为主要的消耗形式。

从图3和图4可以看出用一个恒定阻值的停机负载使电堆各单片电压降到0.2 V以下需要300~500 s的时间，而用风扇作为停机负载只需要250 s左右。在停机过程中用1、5、10 Ω恒定阻值对电堆整体放电时所切入的时间分别维持了16、29、52 s。而风扇切入的时间为150 s左右。可见使用恒定的放电负载对电堆放电，会迫使某些性能相对较差的单电池电压迅速下降，为防止该电池反极化从而过早的切除停机负载；但是如果使用非线性感性负载作为放电负载，由于电堆放电过程中非线性感性负载两端电流是实时变化的，那么其阻抗值也在实时变化，这相当于一个动态的放电负载。而动态的放电负载和恒定的放电负载相比，它能自动实时调整从电堆中抽取的电能大小，这样便会延长停机负载切入的时间，从而消耗更多的氢气。并且空冷燃料电池风扇承担着控温和供空气的双重功能，风扇转动可提供更多的空气加快氢气消耗的速度。

将燃料电池系统中风扇充当放电负载，这样不需要增加额外的放电负载，节省了系统部件，简化了系统结构，操作更加方便。当燃料电池系统大负载电流下直接停机，其电堆温度会超过PEMFC空载条件下的最佳温度，过高的电堆温度会加速质子交换膜的降解。因此，若燃料电池系统停机后使用风扇充当放电负载，电堆残留的氢气能驱动电堆风扇继续运转一段时间，不仅能加快电堆内部残留氢气的消耗速度，其对电堆散热还能减缓质子交换膜的降解。

3.4 利用辅助负载对各个单电池单独放电对PEMFC性能的影响

针对上述实验过程中将辅助负载应用于整个燃料电池电堆中容易出现某单片电压降得过快而提前切除负载的弊端，本文提出一种利用辅助负载对电堆中各个单电池单独进行放电的燃料电池系统。该方法就是将辅助负载连接到每一片单电池的阴阳极两端，从而实现单片电池的单一放电。如图6所示为单电池单独放电电堆整体结构图。在每一片单电池的阴阳极两端串联一个控制开关和一个恒电阻的辅助负载，其中控制开关用于控制辅助负载的接入和断开，本实验中的辅助负载采用1 Ω电阻。

图6 单电池单独放电电堆整体结构

1. hydrogen storage tank 2. pressure reducing valve3. pressure stabilization valve 4. hydrogen inlet valve5. load switch 6. load7. outlet valve 8. auxiliary load9. auxiliary load switch 10. end plate11. insulation board 12. single cell13. electrode

图7所示为对电堆中各个单电池单独放电时，电堆中各单电池电压曲线。从图7可以看出，各个单电池电压在1 Ω辅助负载作用下迅速下降，使得各单片电压低于0.2 V只需要120 s左右。采用如图6所示的单电池放电电路，其各单片电池之间放电是相对独立的，辅助负载只消耗对应单电池的电能，只要该片单电池中有氢气存在，单电池便一直提供能量，直至氢气消耗殆尽。氢气浓度在电堆中各个部位是分布不均的，但氢气总是从高浓度扩散到低浓度的。能量下降的各单片电池的氢气浓度在电堆整个氢气流道中是最低的，从而在停机过程中会不停地有氢气从电堆氢气流道中的其他地方扩散到各单片电池继续提供能量，直至整个电堆中所残留氢气被耗尽。也正因为各单片电池单独放电，便不会出现电堆整体放电时部分单片电池由于性能差而被动放电出现反极化的现象。各单电池单独放电时，辅助负载是没有被切除的，故辅助负载一直在消耗氢能，因而停机时间比较短。

图7 单电池单独放电单体电池电压变化趋势

4 结 论

(1) 若燃料电池电堆各单片电压均衡性不好，用恒定电阻对电堆整体放电时性能较差的单电池电压会降得过快，为了防止其反极化，从而过早的切除停机负载，大大降低了恒定停机电阻的放电效率；

(2) 由于空冷燃料电池自身风扇是一个非线性感性负载，用它对电堆整体放电其停机时间比用恒定电阻整体放电要短，并且不需要增加额外的放电负载，简化了系统结构，风扇对电堆散热在一定程度上还能减缓质子交换膜的降解；

(3) 提出了一种采用辅助负载对电堆中的各个单电池单独进行放电的系统停机控制策略，该控制策略不仅能有效缩短电堆停机时间，同时也能防止停机过程中某些性能较差的单片电池反极现象发生，这必然有利于减缓电池的衰减，延长电池寿命，是一种十分有效的燃料电池系统停机控制策略。

符号说明：

参考文献：

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Experimental Study on Shutdown Strategy of Proton Exchange Membrane Fuel Cells

WANG Yong, LIU Zhi-xiang

(School of Electric Engineering, School of Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

The decrease of proton exchange membrane fuel cell performance during shutdown process is mainly due to the existence of residual hydrogen in the anode side. In order to quickly eliminate residual hydrogen, two shutdown control strategies (which discharge every single fuel cell using air-cooling stack fans and auxiliary load, respectively) were proposed in this paper. Effects of three shut-down strategies including direct shut-down, overall discharging shut-down and individually discharging shut-down using auxiliary load were studied on the performance of PEMFC. The results demonstrate that the strategy proposed can shorten the time for each cell remaining under high voltage and prevent the occurrence of single cell reverse polarity during shutdown, which proves the effectiveness of the proposed strategy.

proton exchange membrane fuel cell; durability; shut-down strategy; auxiliary load

1003-9015(2016)05-1197-06

TM911.4

A

10.3969/j.issn.1003-9015.2016.05.031

2015-11-10;

2016-01-29。

国家科技支撑计划(2014BAG08B01)；国家自然科学基金(51177138，61473238，51407146)；四川省杰出青年基金(2015JQ0016)。

王勇(1991-)，男，四川泸州人，西南交通大学硕士生。通讯联系人：刘志祥，E-mail：liuzhxiang@swjtu.edu.cn