当前位置: 主页 > 能源技术 > 质子交换膜燃料电池水淹和膜干故障诊断研究综述

质子交换膜燃料电池水淹和膜干故障诊断研究综述

发布时间:2019-12-02 10:37内容来源:网络整理 点击:

西安交通大学电气工程学院 张雪霞

  质子交换膜燃料电池以其高能量转换率、无污染、启动速度快、运行温度低等优势,在新能源机车、有轨电车、汽车、便携式电源及分布式发电等领域受到广泛的青睐。西南交通大学研发的首辆PEMFC机车“蓝天号”及联合中车唐山机车车辆有限公司研制的世界首列燃料电池/超级电容混合动力100%低地板有轨电车展示了PEMFC在机车领域的发展趋势。然而,目前PEMFC制造成本高、寿命较短、稳定性较差等不足,阻碍了PEMFC大规模的商业推广与应用。

  PEMFC是一种多物理场耦合的非线性复杂系统,许多因素影响着其水管理故障,尤其随PEMFC功率增大,水淹和膜干故障更易发生,导致系统的耐久性降低,工作性能受影响,甚至剩余寿命缩短。

  准确揭示PEMFC水淹和膜干故障产生机理、有效诊断水淹和膜干故障状态以及探寻水淹和膜干故障发生后的解决措施,已逐渐成为研究焦点。

  1PEMFC水淹和膜干故障

  1.1PEMFC内部水传递机理

  PEMFC电堆在运行过程中,电堆内部的水主要源于阴/阳极气体增湿水及阴极侧电化学反应生成的水。电堆内部水的排出方式主要是阴极侧反应剩余气体排气、阴极侧脉冲排气和阳极侧脉冲排气三种方式。水在电堆内部的传输包括“电拖曳作用”和“反渗作用”等。在反应过程中,质子交换膜需充分湿润,这是因为在阳极催化剂层产生的质子是以水合质子(H3O+)的形式进行传输,因此,质子会将部分阳极侧的水带到阴极侧,该过程称为“电拖曳作用”。由于氢质子和电子到达阴极侧催化剂层与氧气发生反应生成水,而阳极侧没有水的产生,故膜两侧的水存在浓度差,阴极侧的水会通过膜扩散到阳极侧,该过程称为“反渗作用”。PEMFC电堆内部水迁移如图1所示。


图1PEMFC内部水迁移示意

  1.2水淹和膜干故障的产生机理

  在PEMFC的运行过程中,质子传导率与膜水含量密切相关,因此,良好的输出性能对应充分湿润的质子交换膜。然而电池内部水含量过高会产生水淹故障,而水含量不足则会导致膜干故障。气体扩散层和流道的水淹使得气体反应物到达反应位点的传输受阻,催化剂的活性面积因水的覆盖而降低,PEMFC的活化损耗和浓差损耗显著增加。膜干故障会引起电阻率上升,使得PEMFC在运行过程中产热增加,进一步导致能量转化效率降低及更为严重的膜干故障,甚至膜撕裂,严重影响输出性能和剩余寿命。

  在水淹和膜干故障的众多机理研究中,ZHAN等对PEMFC的水传递机理进行了数值模拟研究,发现大孔隙率的气体扩散层、气体扩散层和催化剂层间微孔层的存在能通过直径更大的水滴,防止水滴堵塞孔隙,能够更加有效的避免水淹故障的产生。CAI等对PEMFC的流道接触角和流道材料通过数值模拟进行了分析,发现流道接触角为90°时,流道壁会形成一层水膜,水膜进一步分裂后形成的大水滴会阻碍流道的水传递,引起水淹故障的发生。JING和ZHANG等的实验研究中,大电流密度时,电拖曳作用过强导致阳极侧出现缺水或膜干故障、欧姆阻抗增加;大电流密度和高相对湿度条件下,电池中过量的水因堵塞流道和扩散层孔隙而无法及时排出,导致电池出现水淹故障。ZHAO利用水入侵-蒸发实验模拟干湿循环对PEMFC内部结构的影响,研究结果表明,水淹-膜干循环会造成催化剂凝聚颗粒急剧增大,并伴随着针孔和催化剂撕裂等不可逆的损伤,导致PEMFC长期的性能衰退。

  上述的机理研究表明,水淹和膜干故障对电池性能和内部结构具有严重的不可逆损害,但可从材料、内部结构以及操作条件避免或缓解PEMFC的水淹和膜干故障。

  1.3水淹和膜干故障的影响因素

  在PEMFC运行时,外部条件会影响内部水含量和水的传输方向,进而影响电堆性能。常见的影响因素包括电堆电流、电堆温度、电堆阴阳极进气压力、流量、湿度等。

  当PEMFC需要大功率出力时,电流会随之增大,此时电堆内部电迁移增加,阴极侧水量积聚。张金辉提出在大电流密度下反应生成的水更多,阴极侧的水为电拖曳作用携带的水与阴极生成的水之和,故大量的水积聚在阴极。此时,如不能及时将水排出,就可能导致水淹故障的发生。

  PEMFC电堆温度会影响水蒸气析出的液态水量。当电堆电流较小而电堆温度较高时,会出现膜脱水,甚至膜干现象。BrèqueF等提出燃料电池操作条件不当会打破电堆水平衡,从而导致水淹和膜干故障的发生,并通过实验测试得到不同操作条件对电池内部湿度影响的占比,实验结果表明,在湿度的影响因子中,电堆温度相较阴极气体化学计量比更为显著。

  氢气和氧气进入电堆需要一定的压力以保持气体的流动,膜两侧的压力差对水具有压力迁移作用,推动水在膜中的传递。戴朝华等人提出湿度过高、气体流速过低以及电堆内部压力过大都可能引起反应物分布不均,导致流道内阻力变化,造成气体扩散电极的腐蚀以及流道阻塞,最终引发水淹故障。

  上述研究分析表明,电堆中的水含量和水迁移主要受电流、温度、气体压力及压力差等因素影响。在运行时因参数设置不当导致热管理和水管理出现失衡时,电堆内部会出现液态水堆积无法排出或者质子交换膜含水过少而影响质子的传导,由此PEMFC进入水淹和膜干的不健康运行状态。

  1.4水淹和膜干故障的诊断指标

  现有的PEMFC故障诊断中,水淹和膜干的定义和诊断指标尚未拥有统一的标准。常见的诊断指标有电压、压力降、电化学阻抗谱等。

  1.4.1电压指标

  在PEMFC运行过程中,当发生水淹时,输出电压出现大幅下降并伴随着剧烈波动。然而,电压指标很难准确诊断膜干,这是由于膜干发生时,输出电压仅出现因膜电阻增大而引起的下降,未伴随剧烈波动,与操作条件不当导致的电压下降难以区分。

  1.4.2压力降指标

  针对压力降指标,主要分为基于直接压力降、压力降偏差、压力降频率和两相流乘数等指标。

  (1)直接压降

  直接压降指气体进口处与出口处的压力差,主要用于PEMFC水淹的趋势分析,可分为阳极压力降和阴极压力降。当发生水淹时,阴极压力降逐渐增加直到平衡,此时由于浓度梯度的影响,阴极侧的水反渗到阳极使阳极侧水含量增加,进一步导致阳极压力降增加。当发生膜干时,此时膜内水含量极低,压力降几乎不变,故膜干不能由直接压力降单一表征。但膜干时电池的输出电压因膜电阻的增加而减小,故可结合直接压力降和电压这两个指标诊断膜干故障。

  (2)压力降偏差

顶一下
(0)
0%
踩一下
(0)
0%
------分隔线----------------------------