PEMFC單體電壓一致性的影響因素簡(jiǎn)介

2022-11-26 來源：小鄭的燃料電池筆記瀏覽數(shù)：593

車用燃料電池耐久性是制約其商業(yè)化的主要技術(shù)挑戰(zhàn)之一。現(xiàn)有研究表明，車輛動(dòng)態(tài)工況是引起車載燃料電池壽命降低的最主要原因之一。由于在動(dòng)態(tài)工況下，燃料電池單體電池性能及電壓之間存在嚴(yán)重的不一致特性，甚至出現(xiàn)反極化現(xiàn)象。若單體性能差異過大，電堆的性能會(huì)受狀態(tài)最差的單體所制約，存在木桶效應(yīng)，影響整個(gè)電堆的穩(wěn)定性和壽命。局部單體電壓過低，電化學(xué)衰退加快，將導(dǎo)致局部電流密度過高，引起局部出現(xiàn)“熱點(diǎn)”，導(dǎo)致電池永久損壞甚至引發(fā)安全問題。因此，燃料電池單體電壓一致性是反映燃料電池運(yùn)行性能和壽命的重要指標(biāo)，在車載燃料電池領(lǐng)域

1. 燃料電池堆單片電壓一致性的評(píng)價(jià)方法

單片電壓一致性好，電堆性能及穩(wěn)定性較好。單片電壓一致性差將導(dǎo)致局部電流過高，容易出現(xiàn)熱點(diǎn)，甚至出現(xiàn)反極現(xiàn)象，導(dǎo)致電堆失效。

目前對(duì)于燃料電池單片電壓一致性的評(píng)價(jià)方法較多，主要有四種方法，分別是單體電壓波動(dòng)率、單體電壓變化的均方根值、單電池電壓變化的幅度值和圖形法，其中應(yīng)用最為廣泛的是單電池波動(dòng)率，圖形法能夠直觀和形象地反應(yīng)燃料電池堆單電池一致性情況。

A：?jiǎn)坞姵夭▌?dòng)率就是單電池電壓的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差，其公式如式(1)。單電池電壓波動(dòng)率越大，燃料電池一致性越差；單電池波動(dòng)率越小，燃料電池一致性越好。

式中：N為單電池節(jié)數(shù)；Vj (j =1,2,……,N )為單電池電壓；V為單電池平均電壓。

B：?jiǎn)坞姵仉妷鹤兓木礁凳歉鲉纹妷浩x平均電壓距離的平均數(shù)，它反映了各單電池電壓的離散程度，其公式如式(2)。單電池電壓變化的均方根值越大，燃料電池各單片電壓的波動(dòng)就越大；單電池電壓變化的均方根值越小，燃料電池各單片電壓的波動(dòng)就越小。

式中：N為單電池節(jié)數(shù)；Xi(i =1,2,……,N )為單電池電壓；X為單電池平均電壓。

C：?jiǎn)坞姵仉妷旱牟▌?dòng)幅度就是燃料電池堆中單片的最大電壓與單片最小電壓的差值，反映了燃料電池堆單電池電壓波動(dòng)的大小，其公式如式(3)。單電池電壓波動(dòng)的幅度越大，燃料電池堆單電池一致性就越差；單電池電壓波動(dòng)的幅度越小，燃料電池堆單電池一致性就越好。

D：圖形法即將電堆中所有單體電池的電壓數(shù)值繪制成折線圖，直觀查看單體電壓的分布情況，從而反映單體電壓的均衡性。目前，圖形法很難應(yīng)用于信息化、自動(dòng)化系統(tǒng)，而且當(dāng)電堆中單體數(shù)較大且電壓較為接近時(shí)，很難準(zhǔn)確定量判斷。

圖1 單電池電壓分布

2. 電堆操作參數(shù)對(duì)單片電壓一致性的影響

電堆的操作參數(shù)主要是指電堆運(yùn)行時(shí)能夠人為改變的外部運(yùn)行參數(shù)，主要通過改變溫度、壓力、濕度和氣體過量系數(shù)等操作參數(shù)來改善電堆內(nèi)部傳質(zhì)傳熱不均現(xiàn)象，從而改善單片電壓一致性。而且這種方法容易實(shí)現(xiàn)，不需要知道燃料電池內(nèi)部復(fù)雜反應(yīng)過程，只要通過改變外部條件來改善輸入輸出值來考察各個(gè)操作參數(shù)對(duì)燃料電池電堆電壓一致性的影響。

2.1. 電流密度對(duì)單片電壓一致性影響

燃料電池堆各單片電壓隨著電流密度的增加而減小，同時(shí)大負(fù)載下電堆內(nèi)部反應(yīng)物質(zhì)分布不均勻，溫度分布不均勻?qū)е码姸褑纹妷翰▌?dòng)較大，從而影響電堆單片電壓一致性。

早期研究：1. Paul Rodatz等研究了一個(gè)功率 6 kW的電堆在單片電池電流密度為 0.34 A/cm2時(shí)的電壓性能，發(fā)現(xiàn)各單片電壓相對(duì)于平均電壓的平均波動(dòng)為 5%。2. S. Giddey等研究了不同負(fù)載下 16片的質(zhì)子交換膜燃料電池堆單片電壓一致性的情況。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)負(fù)載電流從 0加載到 120 A時(shí)，燃料電池堆單片電壓波動(dòng)有輕微的上升，如圖2是電堆在 100、110和 120 A時(shí)電堆單片電壓的分布，100 A到 110 A單電池電壓降較 110 A到120 A要小一點(diǎn)，尤其是電堆后面單電池電壓下降明顯。

圖 2 負(fù)載電流對(duì)燃料電池堆單片電壓一致性的影響

2.2. 過量系數(shù)對(duì)單片電壓一致性影響

反應(yīng)氣體過量系數(shù)大小直接影響到電池內(nèi)的水氣傳輸，如果反應(yīng)氣的流速過小，不利于電池內(nèi)生成的水的排出，進(jìn)而會(huì)降低陰極擴(kuò)散層內(nèi)氧傳質(zhì)的速度，增加濃度極化，降低電池性能；如果反應(yīng)氣的流速過大，水的飽和度低，膜變得干澀，電池性能也會(huì)下降。因此，過量系數(shù)對(duì)單片電壓一致性影響很大。

早期研究：1. Jer-Huan Jang等研究了不同過量系數(shù)對(duì)單片電壓一致性的影響，當(dāng)陽極氣體過量為 1.4、1.6和 1.8時(shí)，電堆側(cè)的單電池單元較中間的單電池性能好，同時(shí)加大陽極氣體過量系數(shù)時(shí)，單電池電壓分布趨于均勻，這主要是因?yàn)椴缓侠淼倪M(jìn)氣方式引起電堆中單電池的氣體流量分布不均勻。2. 黃敏等采用田口法對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池工作條件進(jìn)行了優(yōu)化，通過實(shí)驗(yàn)表明，在氣體入口壓力 0.18 MPa，氫氣過量系數(shù) 1.1，空氣過量系數(shù) 2.0，電池溫度 70 ℃時(shí)，電堆在負(fù)載 80 A下輸出功率 5.16 kW，電堆單片電壓波動(dòng)率只有 1.36%，可見田口法在優(yōu)化操作參數(shù)上有重要意義。

2.3. 溫度對(duì)單片電壓一致性影響

電池溫度是影響質(zhì)子交換膜燃料電池堆單片電壓的重要因素，電池的溫度過低，水以液態(tài)的形式存在，可能淹沒催化劑和氣體的擴(kuò)散層，從而降低氣體的擴(kuò)散性；電池溫度過高，會(huì)造成質(zhì)子交換膜的嚴(yán)重脫水、降解甚至破裂。

早期研究：1. M. Perez-Page等研究了燃料電池堆單片電壓一致性與溫度的關(guān)系，研究表明當(dāng)燃料電池堆工作溫度 70 ℃時(shí)，其單電池的電壓分布相比于 40 ℃變得更加均勻。這主要是因?yàn)闇囟仍黾樱|(zhì)子交換膜的電導(dǎo)率增加，并且變得更加均勻。2. H. I. Lee等研究了一個(gè)無加熱裝置的電堆各單片單元的溫度，發(fā)現(xiàn)電堆中間的單片溫度較兩邊的高，認(rèn)為溫度是引起電堆單片電壓不均勻的主要原因。3. Jer-Huan Jang等考察了操作條件對(duì)單電池和電堆的影響，其中有一個(gè)是加濕溫度對(duì) 5片電堆單電池一致性的影響，如圖3不同加濕溫度對(duì)單電池電壓一致性的影響。

圖 3 加濕溫度對(duì)燃料電池堆單片極化曲線性的影響

2.4. 壓力對(duì)單片電壓一致性影響

壓力對(duì)電堆單片電壓一致性影響很大：一方面，隨著反應(yīng)氣體壓力的增加，電堆進(jìn)出口間的壓力差減小，能夠改善反應(yīng)氣體的傳質(zhì)，減小濃度損失，使各單片電池的電壓分布更加均勻；另一方面，當(dāng)反應(yīng)氣體的壓力達(dá)到一定值時(shí)，電堆進(jìn)出口間的壓力差減小會(huì)影響氣體的線速度，不利于電池內(nèi)過量的液態(tài)水的排出，從而使單電池的電壓分布不均勻。

早期研究：1. 齊基等研究了不同反應(yīng)氣體的進(jìn)口壓力與 PEM電池堆單片一致性的關(guān)系。PEM電池各單片電壓隨著反應(yīng)氣體進(jìn)口壓力的升高而增加，這主要是由于反應(yīng)氣體的進(jìn)口壓力的升高能夠改善反應(yīng)氣體通過電極擴(kuò)散層向催化層的傳質(zhì)，減小濃度極化。

2.5. 濕度對(duì)單片電壓一致性影響

燃料電池工作過程中需要合適的水平衡，因此反應(yīng)氣體適當(dāng)?shù)募訚駥?duì)燃料電池的性能及單片電壓一致性影響非常大。

早期研究：1. 齊基等研究了濕度對(duì)燃料電池堆單片電壓一致性的影響，研究表明隨著陰極和陽極的相對(duì)濕度的增加，PEM電池各單片電池性能總體上得到了改善，這主要是隨著反應(yīng)氣體相對(duì)濕度的增加，促進(jìn)了質(zhì)子交換膜的水合，提高了其電導(dǎo)率，使單電池的性能提高。圖 4為濕度對(duì)燃料電池堆單片電壓一致性的影響。

圖4 濕度對(duì)燃料電池堆單片電壓一致性的影響

3 . 電堆結(jié)構(gòu)對(duì)單片電壓一致性的影響

電堆結(jié)構(gòu)主要指組成電堆的單元結(jié)構(gòu)及組裝后的結(jié)構(gòu)。目前改善電堆結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來改善單電池電壓一致性也是比較熱門的方向之一，通過改進(jìn)流道設(shè)計(jì)、公共氣道設(shè)計(jì)、流場(chǎng)板厚度、擴(kuò)散層厚度、膜的厚度、排熱方式以及裝夾方式等方法來改善電堆內(nèi)部水熱平衡以及反應(yīng)物的均勻，使得單電池一致性得到改善。

早期研究：1. Xianguo Li等研究了燃料電池雙極板結(jié)構(gòu)對(duì)電堆性能的影響，分析了點(diǎn)狀流場(chǎng)、平行流場(chǎng)、單流道蛇形流場(chǎng)、多流道蛇形流場(chǎng)以及一些特殊流道等對(duì)電堆內(nèi)部壓強(qiáng)分布、物質(zhì)分布、單電池一致性及反應(yīng)等影響，指出雙極板在反應(yīng)物質(zhì)的通過、電流的收集、結(jié)構(gòu)支撐及水熱平衡等方面扮演重要角色，不同的雙極板結(jié)構(gòu)各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合不同的應(yīng)用場(chǎng)合。2. Hu等研究了電堆在不同進(jìn)氣結(jié)構(gòu)下不同負(fù)載對(duì)電堆單片電壓一致性的影響，研究表明電堆單片電壓波動(dòng)在“U”進(jìn)氣方式下較“Z”形大。

4. 材料對(duì)單片電壓一致性的影響

材料對(duì)燃料電池堆單片一致性影響很大，主要通過改變電堆電解質(zhì)膜材料、催化劑、密封墊、氣體擴(kuò)散層、雙極板以及排熱介質(zhì)等方法來減小燃料電池堆單片衰減不一致性，改善單片電壓一致性。張海峰等分析了目前雙極板制備方法，介紹了常用材料金屬板和石墨板各種優(yōu)缺點(diǎn)及對(duì)電壓一致性的影響，并提出復(fù)合板將是未來發(fā)展方向。以大連化學(xué)物理研究所為代表的石墨金屬復(fù)合雙極板彌補(bǔ)了單一石墨雙極板的不足，表現(xiàn)出了良好的工況適應(yīng)性及電堆單片電壓一致性，其電堆已經(jīng)用于國內(nèi)示范燃料電池汽車與發(fā)電裝置上。

5. 結(jié)論與展望

操作條件對(duì)燃料電池單片電壓一致性影響的研究比較多，優(yōu)化操作條件改善燃料電池與負(fù)載的匹配，比較容易操作，而且好的操作條件可以在現(xiàn)有情況下優(yōu)化燃料電池輸出，延長燃料電池的壽命，經(jīng)濟(jì)性也比較好。改變?nèi)剂想姵亟Y(jié)構(gòu)對(duì)燃料電池單片電壓一致性的影響研究也很多，主要改變流場(chǎng)結(jié)構(gòu)、公共氣道設(shè)計(jì)、流場(chǎng)板厚度、擴(kuò)散層厚度、膜的厚度、排熱方式以及裝夾方式等方法來改善電堆內(nèi)部水熱平衡以及反應(yīng)物的均勻，使得單電池一致性得到改善。研究材料對(duì)燃料電池性能影響的研究目前比較多，主要通過改變催化劑、陰陽極板材料、擴(kuò)散層材料、膜等方法來改善燃料電池的性能。但是目前在燃料電池單片一致性方面的研究比較少，而且大多只是改變某種材料然后做單電池測(cè)試，缺少電堆方面的研究，因此這方面基礎(chǔ)性的研究有待加強(qiáng)。