质子交换膜燃料电池低电密运行参数的优选分析

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1、质子交换膜燃料电池低电密运行参数的优选分析    王 婕 陈 沛 胡 哲 赵景辉 陈 强 ( 上海汽车集团有限公司技术中心，上海 201804)    【摘要】 通过对质子交换膜燃料电池低电密运行的正交试验研究，分析了过量空气系数、冷却水入口温度、阴极入口处的相对湿度以及阴极入口压力这 4 个运行参数对质子交换膜燃料电池性能的影响。    【关键词】 燃料电池 低电密 质子交换膜    0 引言    燃料电池能够将燃料的化学能直接转化为电能，摆脱了卡诺循环热效率的限制。具有高效、清洁的优点，被视为内燃机动力的理想替代选择，目前已成为

2、世界各大汽车商和研究机构的研发重点。科技部发布 的“十二五”发展规划中明确提出了“面向示范的燃料电池轿车”的整车项目，从国家政策层面来看，足以表明国家对新能源产业发展的重视程度。    随着研究的进展，燃料电池技术已接近实用化阶段，有部分质子交换膜( PEM) 汽车已安全、稳定、高效地完成了奥运会及世博会期间的试运行，并且取得了很好的社会效应。在提高燃料电池电堆性能和可靠性之外，还需充分提高其辅助系统的性能和可靠性，以便能给燃料电池电堆提供合适的工作条件，提高燃料电池效率，尽量使整个系统结构紧凑。燃料电池电堆对工作条件要求较为苛刻，在

3、燃料电池运行过程中，需要控制很多参数以确保燃料电池能够工作在最佳工作状态，因此在进行燃料电池系统开发时，分析燃料电池各个运行参数对系统的影响显得尤为重要。    1 试验方法和试验方案    1． 1 正交试验    正交试验设计简称正交试验，是利用正交表科学地安排及分析多因素、多水平对比运行的数学方法。正交试验依据数学原理对试验进行整体设计、综合比较和统计分析，根据正交性从全面试验中挑选出一部分具有正交性质的因素和水平指标进行试验，实现通过少数的试验次数找到较好的工作条件。正交表能够在因素变化范围内均衡抽样，试验点具备“均衡分散，齐

4、整可比”的特点，这些有代表性的点极大地减少了运行次数，保证了全面试验的某些要求，使试验能够较好或更好地达到试验目的，是一种高效率、快速、经济的实验设计方法。    1． 2 燃料电池运行参数    燃料电池的影响因素十分复杂，是由许多影响因素共同作用的结果。参加反应的气体是氢气和氧气，而氧气的供给是采用直接供给空气的办法，反应的气体并不能全部消耗掉，另外由于质子交换膜燃料电池的特殊性，供给的气体都需要进行必要的加湿。总结与燃料电池工作状态相关的    参数如下:    ( 1) 燃料电池工作温度。    ( 2) 空气相关参数。   

5、 温度: 加湿后，燃料电池空气入口温度;    过量空气系数: 燃料电池入口流量;    压力: 燃料电池入口压力，背压控制;    湿度: 燃料电池入口湿度。    ( 3) 氢气相关参数。    温度: 加湿后，燃料电池氢气入口温度;    过量氢气系数: 燃料电池入口流量;    压力: 燃料电池氢气入口压力，背压控制;    湿度: 燃料电池氢气入口湿度。    1． 3 燃料电池堆性能参数及系统原理介绍    被测 PEM 燃料电池堆的基本工作参数见表1。由于考虑到技术保密的需要，某些数据仅列出估值。         PEM

6、 燃料电池系统工作原理如图 1 所示。图中储存在氢气罐中的氢气经过两级减压后，由氢喷射装置在一定周期内间隔喷射一定量氢气进入电堆; 空气增压后经过膜增湿器达到电堆正常工作时所需的湿度后进入电堆阴极侧。此图省略了排氢线路、水路子循环等系统，仅列出对系统影响较大的系统，即本文中的重点研究变量所属的子系统: 氢气供应子系统、空气供应子系统、水热管理子系统。    1． 4 正交试验因素、水平确定及正交表的选择    为了预估燃料电池系统在低电堆的较宽工况        范围内的运行参数，选择分析的基本工况点为50 mA / cm2、150 

7、mA/cm2、300 mA/cm2、500 mA/cm2。根据已有文献分析，选择过量空气系数、冷却液入口温度、阴极入口处相对湿度、阴极入口压力 4 个影响电堆系统的重要参数作为正交试验的考虑因素。采用三水平试验法，首先得到中间水平值，再根据经验上下浮动得到另外两个水平值。在确定了试验参数以及各个试验参数的水平数之后，选择符合条件的正交试验设计表来具体设计试验。本次试验共有 4 个参数，每个参数分别有 3 个水平，因此选择的正交表位 L9( 24) ，如表 2 所示。        2 试验数据及方差分析    2． 1 试验数据   

8、 根据以上设计的正交试验表，按照正交试验设计表调整参数后，可以通过电子负载的设备记录电压值。表 3 为本次低电密燃料电池正交试验第一个工况点50 mA/cm2时的试验结果记录。由于考虑到技术保密的需要，为了不影响后续数据