阳极压力降在PEMFC故障诊断中的应用

彭玉林，陈 涛，肖 飞，罗家乐

(武汉理工大学机电工程学院，湖北武汉 430070)

随着燃料电池汽车实用化、商品化进程的加快，氢作为车用燃料电池燃料出现了一些问题仍需进一步解决[1-2]。质子交换膜燃料电池中的水分布至关重要，水平衡的任何干扰都会导致内部故障，包括会影响系统性能和可靠性的电池水淹或膜干燥。PEMFC 故障能够引起系统性能衰减甚至缩短电堆的使用寿命，对PEMFC 的监控和故障诊断成为亟待解决的问题[3]。

对于PEMFC 的水故障诊断，常利用的诊断指标有电压、压力降、阻抗谱；如陈金奇等[4]在不同进气的相对湿度和电流工况下对PEMFC 电堆进行电化学阻抗谱(EIS)测试，分析PEMFC 电堆内部水状况、提取膜干和水淹故障的典型特征进行故障诊断。阳极压力降只与结构和气体供应工况有关，受膜退化的影响较小，并且一旦建立好各种故障类型的所对应的压力降偏差的阈值，对往后发生的故障类型便可以直接进行诊断。

Bernardi 等[5]指出通常空气侧流量较大，带水能力较强，而氢气侧气流速度低，液态水在流道内逐渐积聚，最后堵塞流道。阳极氢气过量系数很小，几乎全部在电化学反应中消耗，对液态水的吹扫能力远弱于阴极，因而对水淹的抵抗能力更弱，需要优先诊断。

本文首先建立了阳极单相流压力降理论模型，然后监测不同实验工况下的阳极压力降和电压的变化，最后得到了PEMFC 处于水淹、膜干、缺氢、正常状态时的压力降偏差阈值以及利用阳极压力降进行故障诊断的方法流程。

1 理论基础

1.1 PEMFC 膜内水迁移机制

PEMFC 的水传输示意图如图1 所示，在PEMFC 的交换膜中水的迁移方式共有三种：电渗迁移、压力迁移和浓差扩散。电渗迁移是指质子以H+(H2O)x的形式从阳极向阴极迁移所带走的水量。压力迁移是指在膜两侧压力差的作用下从压力高的一侧传递到压力低的一侧的水量。浓差扩散是指在膜两侧浓度差的作用下从浓度高的一侧传递到浓度低的一侧的水量。水传输平衡的影响情况可以通过电堆阳极流道内的压力降和电堆电压进行分析和判断。

图1 PEMFC的水传输示意图

1.2 PEMFC 中的阳极压力降理论

燃料电池的流体在经过流道后，在此过程中压力损失包括沿程压力降损失、局部压力降损失和加速度损失。当燃料电池没有被水淹时，可以将其看作一个独立的流场，PEMFC阴阳极流道流型如图2 所示。燃料电池复杂的工作过程中电流、进气湿度、过量进气系数、进气压力以及温度对阳极单相流压力降都存在一定的影响规律性。

图2 阴阳极流道流型示意图

一般来说，燃料电池中氢气在流场受重力和加速度影响所造成的压力降很小，可以忽略不计，第一项为沿程压力降，第二项为局部压力降，局部压力降跟流道形状有关，在蛇形流道中是不容忽视的，阳极压力降的基本计算公式如式(1)所示：

1.2.1 沿程压力降

沿程压力降：ΔPf=，式中：L为流道长度；d为通道水力直径；f为燃料电池堆内氢气流层的摩擦系数；ρ 为气体密度；v为气体的流动速度。对于正方形通道有Re·f≈56，雷诺数Re=rvd/μ。而根据流速则可以通过流量算得：v=Qx/rANn。在相对湿度不为零的阳极流道内包含氢气和水蒸气，其总质量流量可以通过式(2)计算得到：

式中：QH、QW(下标H 为氢气，W 为水蒸气)计算公式如下，为了计算方便x=0.5：

式中：Qh为流道入口处的流量。

为了计算方便，将流道内的压强做近似处理：

混合气体的密度可由式(7)计算得到：

式中：d为水力直径；wc为流道宽度；dc为流道深度。

黏度不仅随温度而变化而且与压力也有关系，313 K 下混合气与氢气黏度相同。文献[6]给出了由曲线回归得到的氢与饱和水蒸气的混合气体的黏度公式，最终得到沿程压力降计算公式如下：

式中：n为流道数量；N为燃料电池单电池个数；φ为相对湿度；I为电流；λH为氢气的化学计量比；F为法拉第常数964 85 C/mol；R为气体常数8 314 J/(mol·K)；下标sat 表示饱和水蒸气。

1.2.2 局部压力降

在燃料电池中，在流道的进出口处以及流道的拐角处是产生局部压力降的关键地方。局部压力降为：

式中：i为转角数目，尽管一些几何压力损耗系数ξ可用于各种弯管或弯头，但没有一个适合于燃料电池中特定形状的气体流动通道。对于90°的弯管，建议采用30f的较大值。

由于局部压力降数值相对较小，因此需要尽量简化公式，如果按照上述的流量和流速公式来计算将会极为复杂，取流道中间部分的流速作为平均流速，则有：

因此可以得到局部压力降为：

1.2.3 总压力降模型

将沿程压力降与局部压力降相加得到总的氢压力降公式，各个参数含义如前所述，另外由于该模型主要用于故障分析中，因此忽略了空载(即0 A)时的压力降变化情况。

式中：n为流道数量(n=5)；φ为相对湿度(实验中加湿罐温度取值为35～60 ℃)；I为电流(实验中取值为2～24 A)；λH为氢气的化学计量比(实验中取值为1.2～2.0)；T为电堆温度(实验中取值为40～70 ℃)；P为进气压力(背压施加范围为0～70 kPa)；i为流道转角数量(i=8)；wc为流道宽度(wc=1 mm)；dc为流道深度(dc=1 mm)；L为流道的总长度(L=1 248 mm)。我们将电堆连续稳定运行了1 个多小时并测量了此过程的压力降变化和电压变化，如图3 所示，实验工况条件为：阳极相对湿度79%(加湿罐温度为50 ℃)、阳极过量系数为1.2、阳极进气口压力为111 kPa、电堆温度60 ℃、电流10 A，理论值由公式计算得到。从实验中可以看出推导的模型精度达到了比较高的水平。

图3 给定工况下稳定运行时的阳极压力降和电压变化情况

2 故障模拟实验

测试实验台为群翌能源有限公司的PEMFC 测试台，该实验台可实现对PEMFC 电堆进气的相对湿度(以下简称相对湿度)、进气速度和电堆工作温度的控制。实验对象为自制的五蛇流道的三级电堆，单片电池之间采用Z 型相连的进气方式，膜的型号为NR211，活化面积为25 cm2。为了研究阳极压力降在水淹、膜干故障中的变化以及发生各类型故障时的压力降阈值，我们设定了不同工况下的故障模拟实验。

2.1 水淹实验

水淹实验参数设置如表1 所示，其中实验1 做基准实验用于对比。从图4 可以看出当电堆发生水淹故障时电压开始出现比较明显的下降趋势、阳极压力降出现较大增幅。随着反应的进行，由于阳极相对湿度较大，液态水逐渐在流道内积聚影响了气体的扩散导致了进出口压力降的增大以及电化学反应的进行使电压下降。

表1 水淹实验参数设置

图4 发生水淹时的压力降和电压变化趋势

以实验1 为基准实验分别改变了电流、阳极过量系数、阳极相对湿度、阳极背压以及电堆温度，并最终通过实验分析得到水淹发生时的压力降偏差阈值、压力降变化速率、电压变化速率。

有文献将流道内水的积聚分为4个阶段：单相流、液滴流、薄膜流、水团流[7]，本文为了方便说明将液滴流与薄膜流归在一起。通过计算开始水淹时压力降值与薄膜流段的平均压力降值差(DP2)对于薄膜流与单相流的理论值差(DP1)的比例得到了各个工况下发生水淹时的压力降偏差阈值如表2 所示。由实验分析可知当电压下降速率超过0.060 0 V/min、压力降偏差值大于20%、压力降增大速率超过8 Pa/min时我们可以认定电堆发生了水淹故障，我们认为在满足其中之二时可以作为水淹的预警。

表2 各个工况下发生水淹时的压力降变化速率及电压变化速率

2.2 膜干实验

膜干实验参数设置如表3 所示。其中关于阳极湿度的设置方式的说明：当到达设定相对湿度稳定运行一段时间后将加湿罐关掉以通入干氢气，加速膜干的发生以节省实验所需时间；由分析可知每组工况发生膜干时的压力降阈值小于该组采用“极端”方式的阈值(当到达设定相对湿度稳定运行一段时间后，关闭加湿通入干氢气，加速了该组工况下膜干的发生)。从图5 可以看出当电堆发生膜干故障时电压开始出现比较明显的下降趋势、阳极压力降几乎无变化。随着反应的进行，由于阳极相对湿度较低，液态水逐渐在流道内被吹出使得膜含水量下降，影响电化学反应的进行使电压下降。

图5 发生膜干时的压力降和电压变化趋势

从图5 可以看出，当反应达到一定程度时阳极压力降会由于流道内的水薄膜被破坏，使得流道的阻力系数增大，从而使得阳极压力降也增大，但这个增大量比水淹造成的增大量小得多且会趋于稳定。

通过计算膜干后DP2对于DP1的比例得到了各个工况下发生膜干时的压力降偏差阈值如表4 所示。由实验分析可知当电压下降速率超过0.008 V/min、压力降偏差值不超过8%、压力降增大速率不超过8 Pa/min 时可以认定电堆发生了膜干故障，我们认为在满足其中之二时可以作为膜干的预警。

表4 各个工况下发生膜干时的压力降变化速率及电压变化速率

2.3 缺氢实验

由于缺氢实验中最重要的参数为阳极过量系数，因此我们在实验中减小阳极过量系数来模拟缺氢故障，为了更好地模拟缺氢故障需要减小初始流量，并且为了保护电池最好在小电流下进行实验。如实验1 当电堆稳定运行时将过量系数由1.2 变为1.1，实验工况如表5 所示。

表5 缺氢实验参数设置

实验结果显示除了实验1 的压力降阈值在15%左右，实验2 和实验3 的压力降阈值都非常大。如图6 所示，当电堆出现缺氢时，电压和压力降出现快速下降。各个工况下发生缺氢时的压力降偏差阈值如表6 所示。

表6 各个工况下发生缺氢时的压力降变化速率及电压变化速率

图6 发生缺氢时的压力降和电压变化趋势

为了避免缺氢故障造成电堆损耗，我们建议当电压下降速率超过0.03 V/min、压力降偏差值小于－15%、压力降减小速率超过24 Pa/min 时作为缺氢故障的阈值，以保护电池不产生损坏，我们认为在满足其中之二时可以作为缺氢的预警。

3 结果与讨论

实验结果表明PEMFC 发生水淹、膜干、缺氢故障时的阳极压力降和电压的变化情况不同，阳极水淹时流道内的水堵塞了气体的流动造成压力降的增大和阻碍了电化学原料的供应，造成电压的下降；膜干时阳极流道没有液态水，对阳极流道内压力降影响很小，但膜的含水量下降对H+(H2O)x的运输造成电堆电压下降；阳极缺氢时气体供应量减少产生的压力降减小、电堆电压下降。因此我们能够依据测量的电压和阳极压力降快速诊断出水淹、膜干、缺氢和正常4 种状态，最后我们将此方法的流程总结为如图7 所示，其中Dp指阳极压力降偏差阈值，Dr指压力降变化速率(增大为正，减小为负)，Vr指电压下降速率。

图7 诊断流程图

4 结论

我们通过设置不同的实验工况分别得到水淹、膜干、缺氢时的阳极进出口的压力降和PEMFC 电压的变化并对电堆的故障类型进行诊断。得出结论如下：

(1)本文建立了阳极的单相流压力降的理论模型，并通过实验验证了模型的有效性和精度。

(2)实验结果表明：电压下降速率超过0.060 0 V/min、压力降偏差值大于20%、压力降增大速率超过8 Pa/min 时PEMFC电堆发生了水淹故障；电压下降速率超过0.008 V/min、压力降偏差值不超过8%、压力降增大速率不超过8 Pa/min 时PEMFC 电堆发生了膜干故障；电压下降速率超过0.03 V/min、压力降偏差值小于－15%、压力降变化速率超过24 Pa/min 时发生了缺氢故障。

我们在分别在一定范围内改变了阳极过量系数、阳极相对湿度、阳极进口压力、电堆温度、电流以得到某单一参数所引起故障时的最大压力降或最小压力降变化阈值，并没有考虑几个参数同时变化引起的故障，另外在设置阴极参数时消除或弱化了阴极的影响，并且电堆的供气系统、控制系统和监测装置都需要保证其健康稳定运行，上述影响因素都将限制以上结论的成立。