车用燃料电池水故障的在线诊断

赵 鑫，冀雪峰，张妍懿

[1.中汽研新能源汽车检验中心(天津)有限公司，天津 300300； 2.中国汽车技术研究中心有限公司，天津 300300]

燃料电池已在实车上得到应用，燃料电池的稳定运行、故障诊断等问题，也日益受到人们的重视[1-2]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)易发生水淹、膜干等健康故障，为了实现最佳性能，提高耐久性，必须保持适当的入口湿度、工作温度、电流密度、背压及化学计量比。水故障诊断技术的研究，对PEMFC的发展具有重要的意义。合理的水故障诊断方法，有助于对电池内部的工作状态进行实时监测、预警并及时应对。适时的故障处理，能降低PEMFC的应用成本[3-4]。我国对PEMFC水故障诊断方法的研究不多，目前还没有较成熟的商用水故障在线诊断测试技术[5]。

气体压力降(气压降)可反映PEMFC流道内部的水含量。利用气压降，可实现实时在线水故障诊断、预警及预处理。作为一种数据驱动的故障诊断方法，基于气压降的水故障诊断方法近年来备受关注[6]。目前，多数实验都采用阴极气压降进行水故障诊断，但阳极侧对水淹故障更敏感，且阳极侧参数可诊断更广泛的水故障。阳极气压降随水含量的变化更明显，预警诊断更及时，而阴极气压降因流道内始终存在液态水而难以实现水淹预警，只能在水淹后报警[7]。近年来，也出现了用阳极气压降进行水故障诊断的研究[8]。

基于PEMFC阴、阳极气压降的水故障诊断方法，本文作者首先搭建PEMFC水故障在线诊断测试平台；再介绍阴、阳极气压降的理论计算方法；最后，针对某款PEMFC堆，进行相关测试研究及分析。

1 PEMFC水故障在线诊断测试平台

搭建PEMFC水故障在线诊断测试平台(见图1)，通过对阴、阳极气压降，阴、阳极理论气压降及电压的变化规律进行实时监测，实现对PEMFC水故障的诊断、预警与及时应对。

图1 PEMFC水故障在线诊断测试平台

该测试平台包括：Greenlight Innovation G700氢PEMFC测试台(加拿大产)、FRDCL-100KTS电子负载(广东产)、氢气供应单元[储氢装置、Tescom 44-2260-242-009氢气减压阀(美国产)、Alicat KM3100氢气流量计(美国产)、氢气增湿器(定制氢气增湿模块，天津产)、Parker 73216SN2MT00/E7140C2开关阀3(美国产)]、空气供应单元[FC80空气滤清器(北京产)、Alicat KM3100空气流量计(美国产)、Kolon H50空气增湿器(韩国产)、Parker 73216SN2MT00/E7140C2开关阀2(美国产)]、氮气供应单元[储氮装置、Tescom 44-2260-242-009氮气减压阀(美国产)、Alicat KM3100氮气流量计(美国产)、Parker 73216SN2MT00/E7140C2开关阀1(美国产)]、Simatic S7-1200流量控制装置(德国产)、Simatic S7-1200湿度控制装置(德国产)、水故障诊断系统[Wika IS-3压力传感器(德国产)、Simatic S7-1200水故障诊断装置(德国产)]。

实验时，首先在流量控制装置设定所需氢气和空气的体积流量值，在湿度控制装置设定所需氢气和空气的湿度值；再打开氢气储存装置和开关阀2、开关阀3，根据测试需求及时调整氢气流量计或空气流量计，以及氢气增湿器或空气增湿器，使进入PEMFC测试台的气体流量、湿度达到设定值；气体在PEMFC内进行反应，通过测试台和水故障诊断系统，对PEMFC的电压，阴、阳极气压降，以及阴、阳极理论气压降进行实时监测，以进行水故障的实时在线诊断和预警。当出现水故障时，水故障诊断装置会发出警告，此时，通过调整PEMFC的运行工况参数，实现水故障自愈。

2 气压降的理论计算

2.1 阴极气压降

阴极气压降Δpair可分解为沿程阻力压力降Δpf,air、局部阻力压力降Δpj,air、重力压力降Δpg,air以及加速压力降Δpa,air[9-12]，如式(1)所示。

Δpair=Δpf,air+Δpj,air+Δpg,air+Δpa,air

(1)

阴极气压降主要来自Δpf,air和Δpj,air，因此，Δpair可简化为式(2)：

(2)

式(2)中：L为流道长度；f为摩擦系数；A为流道断面面积；Cw为流道宽度；Cd为流道深度；ρair为空气密度；ξ为局部阻力系数；νair为空气速度；i为通道拐角数；x为积分变量。

进一步计算得到阴极气压降，见式(3)：

(3)

式(3)中：φair为空气湿度；Rm为气体常数；T为温度；λair为空气化学计量比；n为流道数；N为电堆片数；I为电流；pin,air为空气进口压力；psat为饱和蒸气压，如式(4)所示。

psat=0.000 155T3-0.134 8T2+39.157T-3 799.3

(4)

2.2 阳极气压降

阳极气压降ΔpH2可分解为沿程阻力压力降Δpf,H2、局部阻力压力降Δpj,H2、重力压力降Δpg,H2以及加速压力降Δpa,H2，如式(5)所示。

ΔpH2=Δpf,H2+Δpj,H2+Δpg,H2+Δpa,H2

(5)

阳极气压降主要来自Δpf,H2，因此，阳极气压降ΔpH2见式(6)：

(6)

式(6)中：ρH2为氢气密度；νH2为氢气速度。

进一步计算，得到阳极气压降：

(7)

式(7)中：pin,H2为氢气进口压力；λH2为氢气化学计量比；μm为混合气体黏度，如式(8)所示。

(8)

式(8)中：e为自然指数。

3 实验研究

利用搭建的PEMFC水故障在线诊断测试平台，对某款车用PEMFC堆进行水故障诊断测试，研究阴、阳极气压降，阴、阳极理论气压降及电压的变化规律。

3.1 测试工况

PEMFC水故障诊断测试的实验工况为：进气温度60 ℃，进气湿度80%，氢气/空气化学计量比1.5/2.0，氢气/空气进口压力155 kPa/145 kPa，工作电流565 A。

实验用PEMFC堆(北京产)的参数：电堆共294片，流道总长度为34.77 m，流道深度为0.2 mm，流道宽度为0.5 mm。

3.2 测试结果分析

3.2.1 阴极气压降

PEMFC堆电压、阴极气压降与阴极理论气压降的关系如图2所示。

图2 PEMFC堆电压、阴极气压降与阴极理论气压降的变化

从图2可知，在整个实验过程中，阴极气压降随电流变化呈阶跃平台式变化，包含初始状态段、上升段和阶跃平台段。在实验初期，电流值较低，阴极流道内仅存在少量离散的小水滴，此时流道内基本呈单相流状态，因此实际气压降与理论气压降均较小，电压也相应地保持较高值。随着电流的增大，阴极流道内的液态水滴越来越多，逐渐过渡到液滴流状态。在这个过程中，由于流道内积聚的液滴对气流的阻碍作用不断加强，阴极气压降不断升高，电压值有所下降，但依然保持较高水平，整个PEMFC仍处于较好的运行状态。随着电流加载到最大值，并保持稳定，流道内的液态水滴继续增多，彼此之间会互相连接、合并，相比气体流量和流速，此时液态水的含量仍不足以阻挡气体在流道内的流动，因此会为气体留出流动通道，流道内的气液两相呈薄膜流状态。在这个阶段，阴极气压降由于薄膜层的存在而保持在一个较平缓的范围内，电压值也保持在一个稳定的范围内。

3.2.2 阳极气压降

PEMFC堆电压、阳极气压降与阳极理论气压降的关系如图3所示。

图3 PEMFC堆电压、阳极气压降与阳极理论气压降的变化

从图3可知，在整个实验过程中，阳极气压降随电流变化也呈现阶跃平台式变化，包含初始状态段、上升段和阶跃平台段。在实验初期，电流值较低，阳极流道内无液态水，此时流道内呈单相流状态，实际气压降与理论气压降均较小，电压相应地保持较高值。随着实验的进行，电流不断增大，阳极流道内可能因为反渗透作用大于电拖曳作用，出现少量的液态水滴。由于流道内积聚的液态水滴对气流有一定的阻碍作用，阳极气压降逐渐升高，电压值有所下降，但整个PEMFC仍处于较为良好的运行状态。随着电流稳定到工作电流，由于电拖曳作用、气体吹扫以及反渗透作用三者之间达到平衡，流道内的液态水滴量几乎保持稳定，阳极气压降几乎保持不变，电压值也稳定在一定的范围内。

3.2.3 阴、阳极气压降对比

相同工况下的阴、阳极气压降见图4。

图4 PEMFC堆阴、阳极气压降的关系

从图4可知，随着实验的进行，阴极侧由于电化学反应生成水，阴极气压降快速升高。当产水和排水达到某种动态平衡后，阴极气压降趋于稳定，不再明显升高。随着阴极流道的水量增多，阴极与阳极之间的水浓度梯度使部分阴极水通过反渗透作用到达阳极，最终反渗透作用的带水速率高于电拖曳作用的带水速率，阳极流道内的水量开始缓慢增加，此时阳极气压降开始增大。由于阳极侧水量少于阴极侧，阳极气压降明显小于阴极气压降。

4 结论

采用合理的水故障诊断方法，可以对PEMFC的内部工作状态进行实时监测、预警并及时应对。本文作者首先搭建了PEMFC水故障在线诊断测试平台；再介绍阴、阳极气压降的理论计算方法；最后，对某款PEMFC堆进行阴、阳极气压降和电压的测试研究及分析。

实验结果表明，在整个实验过程中，阴、阳极气压降随电流变化皆呈阶跃平台式变化；由于实验过程中PEMFC内部水量变化，前1 000 s时，阴极气压降快速升高，电压值快速下降，1 500 s后，阴极气压降和电压值趋于稳定；随着阴极流道的水量增多，反渗透作用的带水速率高于电拖曳作用的带水速率，阳极气压降开始缓慢增加，1 500 s后，阳极气压降逐渐稳定；阳极气压降明显小于阴极气压降。