宋满存;裴普成;曾夏;查鸿山
【摘 要】通过观察阳极气体压力降对一个两片的质子交换膜燃料电池堆进行水淹预警的研究发现,其在水淹过程中阳极气体压力降具有“两级台阶”的变化特征.结合流道内水积聚过程的研究成果以及电压的变化特点,可以将水淹过程分为良好期、湿润期、过渡期和水淹期4个阶段.对比实验表明电流和温度对于两级台阶的相对幅度影响不大,气体压力和阳极过量系数对台阶相对幅度有较显著的影响.提高气体压力和增大阳极过量系数可以提高PEMFC抵抗水淹的能力,但增大阳极过量系数则会造成氢气浪费.调整电池堆工作温度是一种有效的水淹自愈手段,通过调整温度可以使PEMFC工作在“微湿未淹”的状态下.阳极脉冲排气或增大阳极气体过量系数则可作为PEMFC严重水淹时的辅助处理措施.
【期刊名称】《农业机械学报》
【年(卷),期】2014(045)007
【总页数】7页(P340-346)
【关键词】质子交换膜燃料电池;水淹预警;阳极气体压力降
【作 者】宋满存;裴普成;曾夏;查鸿山
【作者单位】清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084;清华大学汽车安全与节能国家重点实验室,北京100084
【正文语种】中 文
【中图分类】TM911.4
引言
质子交换膜燃料电池(Protonexchange membrane fuel cell，PEMFC)具有清洁环保、能量效率高等优点，适合用于混合动力汽车等作为动力装置［1］。质子交换膜需要足够的湿润才能保证良好的质子传导率，因此需要对燃料气体进行充足的增湿［2］，另外电化学反应会有水的生成，因而易出现液态水在PEMFC内部的积聚即水淹现象。水淹会阻碍燃料气体的
流动和扩散，阻碍热的传输造成局部热点［3］，加速材料的腐蚀和催化剂的流失［4］，影响PEMFC性能［5］。因此如何有效地防止 PEMFC发生水淹是其车用化的重要课题。
PEMFC运行参数如气体流量、增湿程度、电流密度等［6－7］以及PEMFC设计参数如流道形状、气体扩散层参数等［8－9］都对水淹具有影响，并且各因素之间存在着复杂的耦合性，因而对水淹的诊断具有很大的难度。通过建立PEMFC水管理模型的方法［10－11］可以对适宜PEMFC的工况条件和控制策略给出建议，但由于目前尚无准确且普遍适用的模型，因而对水淹的预测准确度不高;通过工程化故障诊断方法例如神经网络方法［12］可以提高水淹诊断的可靠性，但需要大量的样本数据，且对水淹发生的过程缺乏足够的解释性;通过参数测量的方法［13－14］一般可使用电压或气体进出口压力降等参数来诊断水淹，是目前水淹诊断最主要的方式，但对于如何从水淹趋势上进行预警还缺乏研究。
本课题组通过理论推导和实验验证，提出了PEMFC理论阳极气体压力降(Δpf)的计算公式［15］。本文通过监测PEMFC水淹过程中阳极气体压力降(ΔpH2)变化并讨论不同的电流(I)、温度(T)、气体压力(pH2)以及阳极气体过量系数(λH2)对阳极气体压力降(ΔpH2)变化特征的影响，以期提出使用阳极气体压力降进行PEMFC水淹预警的技术。
1 研究基础
PEMFC水淹故障不应以PEMFC内某一局部的液态水含量来表示，而应该以某一局部液态水不断积聚而趋向难以排除甚至影响性能来进行定义。尽管PEMFC在阴极侧生成水，且电子拖曳作用会使水从阳极迁移到阴极，但车用PEMFC的质子交换膜较薄，尤其是阴极微孔层的存在，使得水从阴极到阳极的反渗作用被大大加强［16－17］，因而使用阳极气体压力降比阴极气体压力降诊断水淹具有优势:
(1)未水淹时阳极几乎无液态水存在，而阴极始终会有水的生成，呈现气－液两相流状态，因此当阳极出现液态水积聚时，可以很快从压力降的变化中得到反馈，诊断更敏感。
(2)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。
(3)阴极水淹易发生在大电流条件下，而阳极由于气体流量过小，在各个工况下都可能发生水淹，因而阳极对水淹的诊断范围更广。
本课题组通过理论推导和实验验证，提出了PEMFC理论阳极气体压力降的公式［16］
式中 Δpf——阳极气体压力降的理论计算值(未水淹时)
Cw——流道宽度 Cd——流道高度
L——流道长度 n——流道条数
pH2——阳极气体进口压力
T——PEMFC 温度
psat——当前温度下的饱和蒸汽压
λH2——阳极气体过量系数
I——电流
PEMFC运行温度通常高于313 K，因此只需使用式(1)中313 K＜T≤373 K的公式。本文通过燃料电池测试台对一个两片的PEMFC进行水淹实验并监测ΔpH2的变化规律，PEMFC的单片活性面积为274 cm2。燃料电池测试台主要包括供气系统、气体增湿器、电池冷却系统以及相关的传感器和管道等，用于PEMFC的相关实验，如图1所示。
图1 燃料电池实验照片Fig.1 Picture of PEMFC experiments
此外，电压是PEMFC最重要的输出参数，也是诊断水淹发生的重要依据［13－14］，在实验中也做了采集与记录。
2 实验设计与结果
为了加速PEMFC的水淹，在PEMFC运行中对燃料气体均采取100%增湿，并设定PEMFC不同的I、T、pH2和 λH2，进行水淹过程的对比实验。实验参数设计如表1所示。
表1 水淹实验工况条件Tab.1 Operation conditions of flooding experiments水淹实验序号电流I/A电池温度T/K氢气压力pH2/kPa氢气过量系数λH2 1-1 50 318 120 1.2 1-2 25 318 120 1.2 1-3 75 318 120 1.2 2-1 50 318 120 1.2 2-2 50 328 120 1.2 2-3 50 313 120 1.2 3-1 50 318 120 1.2 3-2 50 318 135 1.2 3-3 50 318 150 1.2 4-1 50 318 120 1.2 4-2 50 318 120 1.5 4-3 50 318 120 2.0
实验中阴极气体压力与阳极相等，阴极气体过量系数为2.0。
其中水淹实验1-1、2-1、3-1和4-1实为同一实验，下文统一以编号0-1表示，共计9个水淹实验(每组中的3个实验为对比实验，共4组)。实验中采集了PEMFC的电压、阳极气体压力降ΔpH2，据此拟合了阳极气体压力降的变化趋势，并与未水淹时的理论阳极气体压力降Δpf一同绘制成实验结果曲线，所有实验结果如图2。
3 分析与讨论
3.1 水淹过程分析
在PEMFC的流道内，经常呈现气－液两相流，两相的流速、流量等因素会影响液相的形态［18］，很多可视化的实验也对PEMFC流道内水形成、积聚和随着气体而流动的状态进行了研究［19］。研究表明液态水在流道内的积聚将经历离散的小液滴、稳定的较大液滴、液体薄膜和堵塞流道的水团4个阶段［20］，如图 3。
从图2中可以看出，在整个水淹过程中，ΔpH2呈现较为明显的“两级台阶”的特征，具有2个平台段和2个上升段(仅水淹实验4-3未出现第2个上升段)。电压在ΔpH2第2个上升段时会有明显下降，而在前两个特征段里基本可以较稳定的保持。综合ΔpH2的“两级台阶”变化特征以及流
汽车被水淹道内水积聚过程的相关研究成果，发现两者可以很好地吻合，并将PEMFC从未水淹到陷入水淹的整个过程分为良好期、湿润期、过渡期和水淹期4个阶段。
图2 水淹实验结果曲线Fig.2 Results of flooding experiments(a)实验0-1(b)实验1-2(c)实验1-3(d)实验2-2(e)实验2-3(f)实验3-2(g)实验3-3(h)实验4-2(i)实验4-3
图3 流道内水形成与积聚过程Fig.3 Formation and accumulation of water in channels
良好期:未发生水淹时，阳极流道内无液态水或仅存在少量离散的小液滴，基本如图3中单相流的状态，因而 ΔpH2与 Δpf相吻合，最大误差不超过3%，处于第1个平台段，整个PEMFC保持稳定的运行电压，处于良好的运行状态。
湿润期:随着阳极流道内的液滴数量越来越多、体积越来越大，单相流逐渐向液滴流过渡，这个过程中，流道内积聚的液滴对气流的阻碍作用不断增强，因而ΔpH2不断升高，逐渐偏离Δpf，表现为第1个上升段。但此时无论是流道还是气体扩散层内，大部分空间仍可保证反应气体的畅通流量，充分的水量甚至还能促进膜的水合作用，因此电压不会因水量的增加而受明显影响，保持相对稳定，整个PEMFC处于湿润的较为良好的运行状态。
过渡期:随着流道内的液态水滴继续增多，水滴间就会互相连接和合并，气-液两相呈现薄膜流的状态。此时液态水的含量仍不足以阻挡气体在流道内的流动，会为气体留出流动的通道，ΔpH2在这个过程中会由于薄膜层的存在而保持在一个较稳定的范围内，即第2个平台段。在这此期间，流道内和气体扩散层内的液态水不断侵占气体流动和扩散的空间，顺畅的电化学反应也经受着挑战，整个PEMFC处于向水淹过渡的过程。
水淹期:随着液态水越聚越多，液态水在流道内会形成足以堵塞流道的水团，气体流动转成被阻塞的水团流状态。在水团不断形成壮大的趋势中也会不断伴随着水团被冲散(气体与液体不断竞争)，因而ΔpH2会存在不规则的较大波动。但由于水淹已经难以阻挡，因而阳极气压力降整体呈现上升趋势，即第2个上升段。此时流道内与气体扩散层内已经大量积聚了液态水，严重阻碍了电化学反应的进行，因而PEMFC的电压也会在波动中快速下降，整个PEMFC陷入水淹。
值得一提的是，由于阴极侧气体流量远大于阳极，阴极侧在PEMFC正常工况运行过程中几乎均处于薄膜流的状态，远不如阳极侧变化特征这么显著，因此使用ΔpH2的变化特征来诊断水淹具有更高的敏感性和实用性。
3.2 运行条件对“台阶”相对幅度φDP的影响
从图2b－2i的结果可以看出，在不同的I、T、pH2和λH2下的水淹实验中，第1个平台段均与Δpf很好地吻合。
由于两级“台阶”之间即为保证PEMFC电压稳定的湿润段，因此有必要计算两级“台阶”之间的幅度，并研究不同运行参数对此幅度的影响。不同条件下的Δpf不同，因此“台阶”幅度采用比例数值来表征，定义为
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