PEMFC單體電壓一致性的影響因素簡介

2022-11-26 來源：小鄭的燃料電池筆記瀏覽數(shù)：737

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：單電池波動(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：單電池電壓變化的均方根值是各單片電壓偏離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：單電池電壓的波動(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、平行流場、單流道蛇形流場、多流道蛇形流場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，主要改變流場結(jié)構(gòu)、公共氣道設(shè)計(jì)、流場板厚度、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)。