空冷型PEMFC电堆输出特性研究

张 敬,龙博林,王 辉,罗国安

(湖南理工学院 机械工程学院,湖南 岳阳 414006)

0 引言

根据冷却方式的不同,质子交换膜燃料电池(PEMFC)电堆可分为空气冷却和循环水冷却两种类型.空冷型电堆相比于水冷型电堆,工作温度低,自身功耗小,配套集成系统中不需要加湿器、水泵、空压机等辅助设备,系统结构相对简单且成本较低.因此,空冷型PEMFC在中小功率备用电源、分布式发电和便携式电源等领域得到广泛应用.研究表明,空冷型燃料电池的输出性能受到空气流量、电堆工作温度、尾气排放周期与时间等参数影响[1～7].然而空冷燃料电池的电堆工作温度与空气流量、尾气排放周期是相互影响,相互耦合的.因此,要使空冷燃料电池在相应负载工况下输出较高功率,电池的高效热管理变得至关重要.文[8]对质子交换膜燃料电池的阳极脉冲排放进行了动态特性研究,通过改变阳极进气压力与电池工作温度等条件,分析电池的尾气排放周期、电池工作温度与电池性能之间的联系,得到脉冲排放的最佳方案.由于很难精确建立电堆输出功率与风扇转速、电堆温度、脉冲排放周期等参数的数学模型,以往研究都聚焦于温度特性,期望找到不同负载电流下电堆的最优工作温度,从而对电堆的温度进行控制.文[9～12]研究了空冷自增湿PEMFC的温度与输出性能的关系,通过控制PEMFC电堆工作在最优温度范围,以实现PEMFC输出性能达到最佳.但在实际过程中,最优工作温度其实依赖于环境温湿度以及初始转速等条件,实际工况改变后最优温度也发生了变化.而且由于温度控制的时滞性,相应的控制策略会造成转速调节的振荡.在实际电堆应用中,不能单一地进行最优温度控制,需要考虑到风扇转速调节过程中PEMFC的输出性能变化,进而确定风扇转速控制方法.本文通过实验手段寻找空冷燃料电池电堆在不同负载电流下的风扇转速临界值.在临界转速下,电堆系统基本达到热平衡,总体获得较高的稳定输出功率.这将为后续在空冷燃料电池电堆的工程应用中针对风扇设计智能控制算法,减少系统能耗、增大输出功率提供有益参考.

以5 kW空冷燃料电池系统为研究对象,进行不同负载电流下的风扇转速阶跃实验,得到PEMFC的输出动态特性.为了减少外部环境变量对电堆运行时的影响,实验都在相同的环境温湿度、相同的氢气进气压力、相同的尾气排放周期和时间下进行,采集电堆温度与电堆输出功率变化,分析风扇转速对电堆温度和电堆输出性能的影响.

1 空冷型燃料电池实验平台

实验平台结构如图1所示.平台使用空冷型PEMFC电堆,由130片单电池组成,额定功率为5 kW,几何尺寸为610 mm×180 mm×240 mm,电堆活化面积100 cm2,输出电流范围为0～85 A,空气供给压力为大气压力,实验采用固定H2压力为150 kPa,输出电压范围为55～118 V.四个48 V/0.65 A的风扇安装在电堆侧面,通过PLC进行PWM控制,为电堆提供反应所需要的O2,同时为电堆散热.电子负载采用WCL 488-100-1000-12K,额定功率为12 kW.锂电池采用36 Ah/70.4 V规格电池组,起到系统启动与补偿燃料电池输出的作用.电堆温度则通过60根热电偶经过Agilent 34970A温度采集仪进行采集.此外,PLC控制器实时采集电堆电压V、电堆电流I、电堆入口压力P等系统参数,同时实现对排气阀、进气阀等器件的控制,保证系统正常工作.

图1 PEMFC实验平台结构

2 空冷型PEMFC风扇转速阶跃实验

2.1 实验方法

在本次实验中,采用60根热电偶,每3根按上、中、下均匀分布,横向等间距地布置在20片电池内部,具体分布情况如图2所示.在同一环境温度22 ℃、湿度68% RH的条件下,将尾气排放周期与时间设置为240 s和2 s,设置电堆入口氢气压力为150 kPa.完成以上初始参数设置后,将电子负载工作设置为恒流模式,启动燃料电池测试平台,打开电子负载,向电堆通入氢气并使风扇低转速运行,给电堆预热,达到电堆充分活化的效果.本次实验分为25 A、30 A、35 A、40 A四个实验组,研究在不同负载工况下电堆温度与进气量对电堆性能的影响.

图2 PEMFC电堆实验平台

调节电子负载大小为25 A,打开温度采集仪,开始进行电堆温度和输出特性测试.风扇初始转速为800 rpm,每隔4 min转速增加300 rpm,观察并采集电堆温度变化与电堆输出功率等参数,当电堆输出电压与输出功率达到稳定后,停止电堆加载,加大风扇转速,将电堆温度降低至35 ℃左右,然后重新开始其他组实验,剩下三组实验步骤均与25 A实验组一致.为了防止初始转速过低使得电堆升温过快,从而导致PEMFC严重脱水,影响其性能和使用寿命,根据负载电流的不同,设置相应的初始转速,具体操作参数见表1.

表1 实验参数

2.2 结果与分析

2.2.1 电堆温度变化分析

在上述实验方法下,进行了25 A、30 A、35 A、40 A四组实验,对电堆进行温度采集,然后对相邻两片单电池即6组热电偶数据取平均,得到不同负载电流下的10条电堆内部温度变化曲线,如图3所示.可以看出,电堆温度变化整体趋势一致,温度先增大再减小最后趋于稳定.温度曲线成阶段性弧形下降,代表一次风扇转速阶跃.此外,随着负载电流的增大,电堆工作温度也逐渐增高,即电堆温度与负载电流成正比.

从图3(a)可以看出,加入电子负载后,电堆开始带载工作,内部开始发生电化学反应,这一阶段,电堆的产热大于风扇散热.结合图4(a)发现,在250～800 s区间,电堆温度过高,电堆性能受到影响,电压从上升转为下降.而风扇转速阶跃增加到一定程度后,散热强于反应产热,温度开始下降.800 s后,转速经过4次递增达到1700 rpm,尽管温度一直下降,温度下降趋势却越来越平缓,最终在1750 s后温度趋于稳定.其原因是,进气量不断增加使得电堆反应产热增加,所以即使散热强度增大,在临界转速后系统基本达到热平衡,温度曲线也越来越平缓.

2.2.2 电堆功率与温度分析

经过四组实验后,结合图3和图4可以发现,电堆功率受到温度与进气量的耦合影响,整体趋势基本一致.在电堆带载初期,0～250 s之间,提供初始低转速,温度开始升高,电堆活化特性增强,于是出现了电堆功率的峰值时刻.但由于转速较低、电堆温度过高,导致电堆内部质子交换膜开始脱水,无法维持电堆峰值功率,功率开始持续下降.随着变转速实验的进行,进气量增加使得电堆工作温度下降,质子交换膜活化特性降低,但这时进气量的增加提高了电堆电化学反应总量,功率曲线缓慢回升,说明带载后期进气量对电堆输出性能起主要影响.

图3 不同负载电流下的温度变化曲线

图4 不同负载电流下的功率和温度变化

分析图4结果可知,在25 A实验过程中,电堆达到最高温度62 ℃,出现最低功率1700 W,随着风扇转速增大,由于空气进气量的增加和氢气流量的充足,功率迅速爬升,最终达到2100 W,功率波动范围达到将近400 W.当负载电流为30 A时,功率波动将近300 W.随着负载电流的增加,风扇转速增加,功率波动范围逐渐减小,电堆功率回升明显变缓.其原因是,在H2进气压力保持不变条件下,风扇转速和负载电流增加后,输出性能可能受到氢气进气流量的影响,电化学反应所需空气进气量开始饱和,故电堆输出功率回升较为缓慢.

将图4(a)～4(d)进行对比发现,实验过程中对于任意负载电流均存在一个转速临界点使得PEMFC基本达到热平衡,在这之后增大进气量,系统风扇自身消耗功率增大,电堆输出功率基本不变或回升缓慢.在这种情况下,电堆输出功率的增加量基本被风扇消耗掉,导致了系统自身功耗增大,系统效率降低.因此,针对不同负载电流都可以找到一个对应的转速临界值,使得PEMFC达到热平衡并输出较高功率.相比于直接控制温度,控制风扇转速在工程上更易实现且稳定性更好.

3 结论

本文通过搭建空冷电堆测试平台,在不同负载电流下,进行风扇转速调节实验,研究了进气量、电堆温度与输出性能的动态关系.主要结论如下:

(1) 电堆带载初期,电堆功率主要受电堆温度影响,电堆工作温度逐渐升高之后,在散热与电化学反应需求的综合因素下,电堆性能主要变为受空气进气量的影响.

(2) 在阳极氢气压力与阴极进气增量一定的条件下,随着负载电流的增加,反应所需空气进气量逐渐饱和,导致电堆输出功率回升逐渐平缓.

(3) 在不同负载电流下,均存在一个转速临界点使得电堆达到热平衡,并且输出性能较优.