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1、質子交換膜燃料電池低電密運行參數(shù)的優(yōu)選分析????王?婕?陳?沛?胡?哲?趙景輝?陳?強?(?上海汽車集團有限公司技術中心，上海?201804)????【摘要】?通過對質子交換膜燃料電池低電密運行的正交試驗研究，分析了過量空氣系數(shù)、冷卻水入口溫度、陰極入口處的相對濕度以及陰極入口壓力這?4?個運行參數(shù)對質子交換膜燃料電池性能的影響。????【關鍵詞】?燃料電池?低電密?質子交換膜????0?引言????燃料電池能夠將燃料的化學能直接轉化為電能，擺脫了卡諾循環(huán)熱效率的限制。具有高效、清潔的優(yōu)點，被視為內燃機動力的理想替代選擇，目前已成為
2、世界各大汽車商和研究機構的研發(fā)重點?？萍疾堪l(fā)布?的“十二五”發(fā)展規(guī)劃中明確提出了“面向示范的燃料電池轎車”的整車項目，從國家政策層面來看，足以表明國家對新能源產業(yè)發(fā)展的重視程度。????隨著研究的進展，燃料電池技術已接近實用化階段，有部分質子交換膜(?PEM)?汽車已安全、穩(wěn)定、高效地完成了奧運會及世博會期間的試運行，并且取得了很好的社會效應。在提高燃料電池電堆性能和可靠性之外，還需充分提高其輔助系統(tǒng)的性能和可靠性，以便能給燃料電池電堆提供合適的工作條件，提高燃料電池效率，盡量使整個系統(tǒng)結構緊湊。燃料電池電堆對工作條件要求較為苛刻，在
3、燃料電池運行過程中，需要控制很多參數(shù)以確保燃料電池能夠工作在最佳工作狀態(tài)，因此在進行燃料電池系統(tǒng)開發(fā)時，分析燃料電池各個運行參數(shù)對系統(tǒng)的影響顯得尤為重要。????1?試驗方法和試驗方案????1．?1?正交試驗????正交試驗設計簡稱正交試驗，是利用正交表科學地安排及分析多因素、多水平對比運行的數(shù)學方法。正交試驗依據數(shù)學原理對試驗進行整體設計、綜合比較和統(tǒng)計分析，根據正交性從全面試驗中挑選出一部分具有正交性質的因素和水平指標進行試驗，實現(xiàn)通過少數(shù)的試驗次數(shù)找到較好的工作條件。正交表能夠在因素變化范圍內均衡抽樣，試驗點具備“均衡分散，齊
4、整可比”的特點，這些有代表性的點極大地減少了運行次數(shù)，保證了全面試驗的某些要求，使試驗能夠較好或更好地達到試驗目的，是一種高效率、快速、經濟的實驗設計方法。????1．?2?燃料電池運行參數(shù)????燃料電池的影響因素十分復雜，是由許多影響因素共同作用的結果。參加反應的氣體是氫氣和氧氣，而氧氣的供給是采用直接供給空氣的辦法，反應的氣體并不能全部消耗掉，另外由于質子交換膜燃料電池的特殊性，供給的氣體都需要進行必要的加濕?？偨Y與燃料電池工作狀態(tài)相關的????參數(shù)如下:????(?1)?燃料電池工作溫度。????(?2)?空氣相關參數(shù)。???
5、?溫度:?加濕后，燃料電池空氣入口溫度;????過量空氣系數(shù):?燃料電池入口流量;????壓力:?燃料電池入口壓力，背壓控制;????濕度:?燃料電池入口濕度。????(?3)?氫氣相關參數(shù)。????溫度:?加濕后，燃料電池氫氣入口溫度;????過量氫氣系數(shù):?燃料電池入口流量;????壓力:?燃料電池氫氣入口壓力，背壓控制;????濕度:?燃料電池氫氣入口濕度。????1．?3?燃料電池堆性能參數(shù)及系統(tǒng)原理介紹????被測?PEM?燃料電池堆的基本工作參數(shù)見表1。由于考慮到技術保密的需要，某些數(shù)據僅列出估值。?????????PEM
6、?燃料電池系統(tǒng)工作原理如圖?1?所示。圖中儲存在氫氣罐中的氫氣經過兩級減壓后，由氫噴射裝置在一定周期內間隔噴射一定量氫氣進入電堆;?空氣增壓后經過膜增濕器達到電堆正常工作時所需的濕度后進入電堆陰極側。此圖省略了排氫線路、水路子循環(huán)等系統(tǒng)，僅列出對系統(tǒng)影響較大的系統(tǒng)，即本文中的重點研究變量所屬的子系統(tǒng):?氫氣供應子系統(tǒng)、空氣供應子系統(tǒng)、水熱管理子系統(tǒng)。????1．?4?正交試驗因素、水平確定及正交表的選擇????為了預估燃料電池系統(tǒng)在低電堆的較寬工況????????范圍內的運行參數(shù)，選擇分析的基本工況點為50?mA?/?cm2、150?
7、mA/cm2、300?mA/cm2、500?mA/cm2。根據已有文獻分析，選擇過量空氣系數(shù)、冷卻液入口溫度、陰極入口處相對濕度、陰極入口壓力?4?個影響電堆系統(tǒng)的重要參數(shù)作為正交試驗的考慮因素。采用三水平試驗法，首先得到中間水平值，再根據經驗上下浮動得到另外兩個水平值。在確定了試驗參數(shù)以及各個試驗參數(shù)的水平數(shù)之后，選擇符合條件的正交試驗設計表來具體設計試驗。本次試驗共有?4?個參數(shù)，每個參數(shù)分別有?3?個水平，因此選擇的正交表位?L9(?24)?，如表?2?所示。????????2?試驗數(shù)據及方差分析????2．?1?試驗數(shù)據???
8、?根據以上設計的正交試驗表，按照正交試驗設計表調整參數(shù)后，可以通過電子負載的設備記錄電壓值。表?3?為本次低電密燃料電池正交試驗第一個工況點50?mA/cm2時的試驗結果記錄。由于考慮到技術保密的需要，為了不影響后續(xù)數(shù)據
