燃料电池系统氢气利用率的试验研究.doc

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1、燃料电池系统氢气利用率的试验研究摘要：为了提高燃料电池系统全工况下的氢气利用率，以空冷型开放式燃料电池系统为实验对象进行了研究。实验结果显示：燃料电池系统运行时，如果阳极出口闭死，电流越高，电压衰减越快。因此，阳极出口须定时排气，以保证燃料电池系统稳定运行。改变阳极进气气压，进气气压越高，系统氢气利用率越低。为了提高氢气利用率，同时保证燃料电池系统稳定运行，低电流放电时，排氢间隔可以适当延长，高电流放电时候，排氢间隔须缩短。全工况下采用统一的排氢间隔（10s），燃料电池系统放电电流依次为2A、5A及8A的氢气利用率分别为0.6421、0.9280及0.9746；优化排氢模式，采用变化的排氢间隔

2、，低电流2A时排氢间隔延长到30s，5A时排氢间隔延长到20s，高电流时的排氢间隔不变，全工况下系统氢气利用率均超过了0.95。在实验研究的时间段内（约1h），两种排氢模式的实际耗氢量分别为0.1241g、0.1317g，优化排氢模式后的实际耗氢量节约了约5.77%。质子交换膜燃料电池的基本原理是经过电化学反应，将氢气化学能转化为电能，生成水。它具有高效、清洁、噪音小、工作温度低、启动速度快、应用范围广等突出优点，是新一代变革性的发电技术。氢气利用率是燃料电池系统的一个重要参数，高氢气利用率意味着燃料电池系统排放氢气少，不仅提高了系统的安全性，也提高了系统的发电效率1-2，因此，燃料电池系统的

3、排氢模式非常重要。燃料电池系统的排氢有三种模式：流通模式、脉冲排放模式及循环模式3。流通模式是阳极出口直接与大气连通，阳极内部气压低，影响电池性能，同时未反应的氢气直接流出，氢气利用率低。循环模式是利用阳极出口安装的循环泵或引射器、气水分离器进行尾气循环，提高了氢气利用率，但是增加了系统的复杂性4。同时阳极尾气无限期循环，会积累惰性气体、液态水，影响电池性能。因此，循环模式中需要在阳极出口增加电磁阀，进行定期排放。脉冲排放模式利用阳极出口的电磁阀进行定期排放，能够提高氢气利用率，稳定电池性能。相对来讲，系统结构简单，尤其适用于小功率的燃料电池系统。燃料电池系统实际运行过程中会经历启动、怠速、低

4、载、高功率等工况5，每一个工况下，燃料电池系统内部参数如膜的润湿程度、气体流速、生成水量都有很大不同，这些参数直接或间接的影响了电池性能、氢气利用率等6，脉冲排放能够一定程度上解决上述问题。当前燃料电池系统总是在全工况范围内采取统一的脉冲排放周期，呈现出了一定弊端。燃料电池系统低载时候，统一的排放周期导致氢气利用率低，高载时候，阳极累积水、惰性气体无法及时排出7。本文以百瓦级的空类型开放式燃料电池系统为对象，分析了变化周期的脉冲排放对燃料电池系统氢气利用率的影响，同时查看了进气气压的影响。1实验1.1测试平台实验采用商业化的空冷型质子交换膜燃料电池系统（额定功率200W），单电池片数为40。采

5、用可编程负载调节电池系统功率输出，采用可编程直流电源，给燃料电池控制器、质量流量计及排氢阀提供13V和12V电压，通过控制直流电源的电压变化，控制排氢阀的周期性排放，继而改变阳极出口排氢频率。采用调节阀调节氢气进气气压。实验测试平台示意图如图1所示。1.2氢气利用率计算氢气利用率计算式22实验结果与分析2.1阳极尾气定期排放的必要性燃料电池系统阳极出口电磁阀关闭即阳极出口闭死，电池恒电流放电运行，放电电流分别为低载电流2A、中等电流5A及额定功率下的电流8A，运行结果如图2所示。由于阳极出口闭死，则燃料电池系统运行过程中，无氢气外排。图2显示，燃料电池系统电池电压均有不同程度下降。对图2曲线进

6、行简单线性拟合，放电电流2A、5A及8A下电压曲线的拟合斜率分别是-0.0006、-0.0029及-0.0084。燃料电池系统加载电流越高，电压衰减率越大。燃料电池系统放电电流越高，生成水越多，反渗透到阳极侧的水也会增多，集聚的水一方面会影响气体扩散，一方面也会覆盖部分催化剂活性区，降低电池系统发电性能。同时，反渗透过来的惰性气体也会影响电池性能8，因此，高电流运行的燃料电池系统更需要定期排放。运行后期，将电磁阀设置成周期性的开/关，阳极尾气得以周期性的排放。由图3可知，阳极尾气周期性排放后，电池电压均有不同程度恢复，因此，燃料电池系统放电时候，阳极电磁阀必须进行周期性的开/关。2.2氢气利用

7、率的试验研究氢气利用率由计算式(1)获得。全工况范围内阳极尾排统一排放周期（排氢频率统一为10s/0.1s，表述的意思是电磁阀间隔10s，排放0.1s，以下排氢频率为相同表述）时，各个电流下的燃料电池系统氢气利用率如图4所示。燃料电池系统高电流（8A）放电时候，系统的氢气利用率为0.9746；低电流（2A）放电时候，系统的氢气利用率只有0.6421，非常低；放电电流5A时候，系统氢气利用率为0.9280。将燃料电池系统全工况下的排氢间频率设置为变化模式，即2A、5A及8A下的排氢间隔改变为30s/0.1s、20s/0.1s及10s/0.1s，此排氢方案下，燃料电池系统氢气利用率如图5所示。由图

8、可知，放电电流2A及5A时燃料电池系统的氢气利用率提高到了0.9578和0.9811，分别提高了0.3157、0.0531。利用排氢方案，全工况下燃料电池系统的氢气利用率均超过了0.95。同时对比了燃料电池系统放电电流2A及5A下改变排氢间隔后燃料电池电压变化情况，如图6(a)和图6(b)所示。图6(a)显示，阳极出口排氢间隔由10s/0.1s改变为30s/0.1s后，电池电压曲线几乎重合，电压衰减率变化不大；图6(b)显示，排氢间隔由10s/0.1s改变20s/0.1s后，电池电压曲线比较分离（这是由于开始记录的初始电压不同造成的），电池电压衰减幅度相近即电池电压衰减率也比较相近。为了量化电

9、池电压衰减情况，将电压-时间曲线也进行简单线性拟合，获得了各种条件下的拟合斜率，如表1所示。表1显示，燃料电池系统在两个电流下线性拟合斜率变化都在0.0001，因此，在试验所选取的排氢间隔下，排氢间隔对燃料电池电压衰减影响不大。同时研究了阳极进气气压对燃料电池系统氢气利用率的影响，如图7所示。图7(a)和图7(b)为两个燃料电池放电电流下的结果图，两个图均显示，燃料电池阳极进口气压越高，氢气利用率越低。进气气压越高，阳极进口与出口气压差大。排氢时刻即电池阀打开瞬间，外排氢气量越多，因此氢气利用率越小。图7(a)和图7(b)显示，燃料电池低电流工况下，进气气压影响更加显著。2.3耗氢量对比将优化

10、后的阳极排氢模式（变化排氢间隔、合适的进气气压约0.3bar，1bar=100kPa）和当前常用的排氢模式（统一排氢间隔）分别作为燃料电池系统全工况运行的设计策略，运行燃料电池系统，燃料电池系统性能曲线如图8所示。由图8可知，在所设计的排氢模式下，燃料电池性几乎不受影响。同时在燃料电池运行过程中，实测两种设计策略下的实际耗氢量。在试验的时间段内，两种设计策略的实际耗氢量分别为：0.1241g氢气（变化排氢间隔的供氢模式）以及0.1317g氢气（统一排氢间隔的供给模式）。优化的变化排氢间隔的排氢策略节省了用氢量，节约了约5.77%。3结论燃料电池系统运行时候，阳极出口必须进行定时排放，排出累积的液态水及惰性气体，保证燃料电池系统稳定输出。在燃料电池系统全工况范围内，可以依据放电电流大小，优化排氢间隔，提高氢气利用率，降低实际用氢量；同时，在不影响燃料电池放电性能的情况下，尽可能的以较低气压进气，减少外排的氢气量，提高氢气利用率。10