质子交换膜燃料电池阳极尾排控制综述

周敬

摘 要：质子交换膜燃料电池具有发电效率高、环境污染少等优点，具有广阔的应用前景。但在运行中，氮气和水会透过质子交换膜扩散到阳极，若长时间不排出后会导致电堆性能下降，若频繁排出则会降低氢气利用率。本文针对在燃料电池应用中的尾排控制策略进行了归纳和综述。

关键词：质子交换膜燃料电池 阳极 尾排

1 研究背景与意义

在汽车储存能量的各种方式中，燃料的“碳减排”是可持续发展的关键，而氢燃料不含任何碳，是理想的燃料[1]。当前全球正齐力应对气候变化，碳中和已成为一个全球性的潮流。质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其噪音低、高效、清洁环保等优点，成为潜力巨大的能源装置之一。燃料电池及其系统的寿命是商业化发展道路上一个重要的因素。在燃料电池系统运行过程中，处于高温高压状态，氢氧反应生成的液态水大部分流出电堆，但在压力、浓度等因素的作用下，阴极侧的水和空气中的氮气会透过质子交换膜扩散到阳极，长时间运行，如果阳极的尾排系统不能及时排出，就会导致水在阳极累积，引起局部水淹，堵塞流道等问题，同时也会积累杂质气体，降低氢气分压，影响反应效率，导致电堆性能下降。为了减少氮气和水对电堆的影响，会对阳极进行尾排处理，但在排除氮气和水的同时，也会同时将氢气排出，降低了氢气的利用率，因此合理地排出积累的阳极杂质、氮气和水至关重要[2，3]。

2 燃料电池工作原理

氢燃料电池是将氢气和氧气的化学能转换成电能的发电系统。氢气在阳极催化剂的作用下分解成质子和电子。质子穿过电解质膜，与阴极氧反应生成水，而电子通过外电路形成电流。

氢氧化学反应式：

如图1所示为燃料电池单池原理结构[4]。

因质子交换膜的特性及高温高压的环境，会不断有氮气和水渗透到阳极，质子交换膜燃料电池的水气管理对其性能和耐久性均有重要的影响，为了保证燃料电池的性能，必须及时排出积累的氮气和水分[5]。

3 燃料电池尾排策略

氮气或水的渗透率不仅与膜电极的材料、工作温度和压力等有关，还会随着电流密度增加而增加，因此尾排的控制策略可能受各种因素的影响[6]。

3.1 脉冲式尾排策略

燃料电池系统运行时，氢空反应产生的水以及剩余的杂质气体在相同工况下较固定，可以依靠多次试验和经验进行尾排的策略制定。脉冲式尾排策略的核心是现场标定，容易实现，在不同的条件下找到最优的尾排方法，在整车应用上较多，主要方法是通过试验标定的方法确定尾排的频率，根据燃料电池产水量和渗透量以及电堆水出温度等进行尾排频率和尾排时长的标定。具体工作流程如下：

在燃料电池系统运行时，工况不同，电流也不同，随着电流的升高，电池阴极侧产生的水量增加，析出液态水的速度加快，电池内部“水淹”也加快，电池性能衰减速率增加，因此要对不同的工况即不同的电流密度进行标定。

在标定测试过程中，在相同的电流密度下固定尾排频率，调整尾排阀的开启时长，测试记录在不同开启时长情况下，尾排氢浓度的变化。尾排阀的开启时长关系到氢气利用率和杂质排出的效果，因此必须选择一个平衡点，得到合适的尾排时间。同样，在相同的电密下，固定尾排阀的开启时长，调整尾排阀的开启频率，标定期间实时监测尾排氢浓度和电堆单体电压，找到在不会出现电堆单体故障的前提下氢气利用率最大的排氢频率。以此类推完成所有电密点下的尾排标定。标定期间也可以根据电堆出水口温度对尾排频率进行补偿，防止在温度较低时水气液化，长期未排放导致电堆水淹。在保证系统正常运行的情况下，尽可能少地排出氢气，保证电堆的安全性和氢气的利用率[7，8]。

3.2 氢循环湿度控制策略

此方法的主要策略在于通过氢气循环喷射泵可以引射电堆阳极出口未反应完的氢气，与氢循环喷射泵的进口氢气混合后进入燃料电池电堆阳极入口，完成氢气回收，同时在阳极侧增加湿度传感器进行湿度检测，分别进行排气和排水的控制[9]。

在稳态条件下，通过假设喷射泵入口会持续稳定通入一个单位的纯氢气，以及某个时刻N△t前未反应的循环氢气所占进堆氢气的质量比例为an。可以推导得到在第N个时刻末，燃料电池电堆阳极未反应的氢气质量。而后进行循环过程中杂质气体含量的推导。设在N次循环中杂质气体累计的含量为φ，循环过程中输入的氢气含量为Q，杂质提起的所占比例为α[9]，则

φ＝Qα

根据每次循环输入系统的氢气含量以及每次杂质气体所占的比例，得到在N此循环后杂质气体的累计含量。设N次循环后需要进行尾气排放时杂质气体的阈值为β，当φ≥β时，打开排气阀进行排放。除了杂质气体还需要考虑水汽的含量，当水的含量大到影响质子交换膜性能时需要进行排水。通过在阳极侧增加湿度传感器来采集的湿度数据，实时检测到的湿度δ，需要进行排水的湿度阈值为θ，当δ≥θ时，则需要打开排水阀进行排水。这样通过分别控制排气和排水使系统持续运行在高性能情况下[9]。

3.3 电压氮浓度檢测控制

此尾排控制器策略主要利用电压巡检仪和氮气浓度传感器得到燃料电池电堆电压和氮气浓度值来控制尾排的开启和关闭[10]。

燃料电池电堆运行期间，在阳极不断积累杂质气体和水汽，若不及时排出，会导致电堆电压出现单低或杂质气体堆积，杂质气体多是氮气。整体策略为实时监测燃料电池电堆的电压和阳极电堆出口处的氮气浓度，当燃料电池系统在关闭尾排期间的电压压降值大于预设的压降阈值时，打开尾排开始排放，当电堆阳极出口处的氮气浓度小于预设的氮气浓度阈值时，关闭尾排，从而控制电堆的尾排开启间隔和开启时长，流程图如下[10]。

为了更加精确地控制，更全面地反映电堆工作状态，对电压压降的判断，可以通过燃料电池电堆的平均电压和最低电压进行综合判断。平均电压压降或最低电压压降小于对应预设的压降阈值时，均可控制电堆出口进行排氢。同时，根据在不同的输出功率下，电堆工作状态不同，可通过试验标定不同的压降阈值或氮气浓度阈值。对尾排开启间隔和开启时长的精确控制，在保证燃料电池电堆电压稳定性的基础上防止氢气浪费[10]。

3.4 氢循环尾排联合控制

燃料电池系统进行尾排控制主要为了排出水和氮气，防止在阳极累积影响电堆性能，同时提高氢气利用率。此策略主要将排水阀、排氢阀和循环泵进行联动控制，通过改变循环泵转速、排水阀频率和排氢阀频率实现高效的尾排控制。考虑到系统的耐久性，防止出现水淹，优先考虑排水，而后再考虑排氢。循环泵在运转时，使氢气循环回电堆入口，停转时，氮气质量较大，受重力作用在出口管路中蓄积，打开排氢阀，可更多地排出氮气，减少氢气排出。在使用循环泵进行循环控制的同时，通过算法估算和试验标定的方式得到排水排氮的周期和开启时间[11]。

燃料电池为氢氧反应产生水，同时考虑到温度对水状态的影响，根据电堆输出电流和温度估算液态水量，计算排水阀开启时间，标定排水的周期，实现排水控制。而渗透到阳极测的氮气量与所电堆反应消耗的空气量以及压力有关，根据电流和氢气压力估算阴极扩散到阳极的氮气量，计算排氢氢的开启时间，标定排氢周期，实现排氢控制[11]。

估算算法能够适用于系统常规稳定运行的场景，针对实际运行时可能出现异常情况，还需要根据电堆当前的状态进行特殊处理。当阳极积水后燃料电池会出现单体电压较低的情况，因此可以通过监测燃料电池堆阳极出口附近m片单体电压平均值Vmp和总单体电压平均值Vp，当Vp-Vmp>设定阈值V0，认为出现单低情况，排水异常。V0可根据燃料电池电堆的出厂技术参数确定，保证单体电压压降不超过某个值，且单体一致性较好。当Vp

此方法在常规的排氢排水控制基础上，增加了策略的优先级选择，同时配合循环泵，利用氮气质量更大的特点提高了氢气的利用率。

4 结语

质子交换膜燃料电池的性能和耐久性提升是在整车应用中的重要一环，而阳极尾排的控制直接影响到了系统的性能和寿命，同时也决定了氢气利用率的高低。本文分别对脉冲式尾排控制、氢循环湿度控制、电压氮浓度检测控制及氢循环尾排联合控制四种燃料电池的尾排控制策略进行综述，为燃料电池的尾排控制提供了理論指导。

本文受国家重点研发计划资助

（2020YFB1506302）。

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