PEMFC水淹的陽(yáng)極氣體壓力降變化特征預(yù)警技術(shù)

PEMFC水淹的陽(yáng)極氣體壓力降變化特征預(yù)警技術(shù)宋滿存;裴普成;曾夏;查鴻山【摘要】通過(guò)觀察陽(yáng)極氣體壓力降對(duì)一個(gè)兩片的質(zhì)子交換膜燃料電池堆進(jìn)行水淹預(yù)警的研究發(fā)現(xiàn)，其在水淹過(guò)程中陽(yáng)極氣體壓力降具有〃兩級(jí)臺(tái)階”的變化特征.結(jié)合流道內(nèi)水積聚過(guò)程的研究成果以及電壓的變化特點(diǎn)，可以將水淹過(guò)程分為良好期、濕潤(rùn)期、過(guò)渡期和水淹期4個(gè)階段.對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明電流和溫度對(duì)于兩級(jí)臺(tái)階的相對(duì)幅度影響不大，氣體壓力和陽(yáng)極過(guò)量系數(shù)對(duì)臺(tái)階相對(duì)幅度有較顯著的影響.提高氣體壓力和增大陽(yáng)極過(guò)量系數(shù)可以提高PEMFC抵抗水淹的能力，但增大陽(yáng)極過(guò)量系數(shù)則會(huì)造成氫氣浪費(fèi).調(diào)整電池堆工作溫度是一種有效的水淹自愈手段，通過(guò)調(diào)整溫度可以使PEMFC工作在“微濕未淹”的狀態(tài)下.陽(yáng)極脈沖排氣或增大陽(yáng)極氣體過(guò)量系數(shù)則可作為PEMFC嚴(yán)重水淹時(shí)的輔助處理措施.【期刊名稱】《農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)》【年(卷)，期】2014(045)007【總頁(yè)數(shù)】7頁(yè)(P340-346)【關(guān)鍵詞】質(zhì)子交換膜燃料電池;水淹預(yù)警;陽(yáng)極氣體壓力降【作者】宋滿存;裴普成;曾夏;查鴻山【作者單位】清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084;清華大學(xué)汽車安全與節(jié)能國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】TM911.4引言質(zhì)子交換膜燃料電池(Protonexchangemembranefuelcell,PEMFC)具有清潔環(huán)保、能量效率高等優(yōu)點(diǎn)，適合用于混合動(dòng)力汽車等作為動(dòng)力裝置［1］。質(zhì)子交換膜需要足夠的濕潤(rùn)才能保證良好的質(zhì)子傳導(dǎo)率，因此需要對(duì)燃料氣體進(jìn)行充足的增濕［2］,另外電化學(xué)反應(yīng)會(huì)有水的生成，因而易出現(xiàn)液態(tài)水在PEMFC內(nèi)部的積聚即水淹現(xiàn)象。水淹會(huì)阻礙燃料氣體的流動(dòng)和擴(kuò)散，阻礙熱的傳輸造成局部熱點(diǎn)［3］，加速材料的腐蝕和催化劑的流失［4］,影響PEMFC性能［5］。因此如何有效地防止PEMFC發(fā)生水淹是其車用化的重要課題。PEMFC運(yùn)行參數(shù)如氣體流量、增濕程度、電流密度等［6-7］以及PEMFC設(shè)計(jì)參數(shù)如流道形狀、氣體擴(kuò)散層參數(shù)等［8-9］都對(duì)水淹具有影響，并且各因素之間存在著復(fù)雜的耦合性，因而對(duì)水淹的診斷具有很大的難度。通過(guò)建立PEMFC水管理模型的方法［10-11］可以對(duì)適宜PEMFC的工況條件和控制策略給出建議，但由于目前尚無(wú)準(zhǔn)確且普遍適用的模型，因而對(duì)水淹的預(yù)測(cè)準(zhǔn)確度不高;通過(guò)工程化故障診斷方法例如神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法［12］可以提高水淹診斷的可靠性，但需要大量的樣本數(shù)據(jù)，且對(duì)水淹發(fā)生的過(guò)程缺乏足夠的解釋性;通過(guò)參數(shù)測(cè)量的方法［13-14］一般可使用電壓或氣體進(jìn)出口壓力降等參數(shù)來(lái)診斷水淹，是目前水淹診斷最主要的方式，但對(duì)于如何從水淹趨勢(shì)上進(jìn)行預(yù)警還缺乏研究。本課題組通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了PEMFC理論陽(yáng)極氣體壓力降(Apf)的計(jì)算公式［15］。本文通過(guò)監(jiān)測(cè)PEMFC水淹過(guò)程中陽(yáng)極氣體壓力降(ApH2)變化并討論不同的電流(I)、溫度(T)、氣體壓力(pH2)以及陽(yáng)極氣體過(guò)量系數(shù)(入H2)對(duì)陽(yáng)極氣體壓力降(ApH2)變化特征的影響，以期提出使用陽(yáng)極氣體壓力降進(jìn)行PEMFC水淹預(yù)警的技術(shù)。1研究基礎(chǔ)PEMFC水淹故障不應(yīng)以PEMFC內(nèi)某一局部的液態(tài)水含量來(lái)表示，而應(yīng)該以某一局部液態(tài)水不斷積聚而趨向難以排除甚至影響性能來(lái)進(jìn)行定義。盡管PEMFC在陰極側(cè)生成水，且電子拖曳作用會(huì)使水從陽(yáng)極遷移到陰極，但車用PEMFC的質(zhì)子交換膜較薄，尤其是陰極微孔層的存在，使得水從陰極到陽(yáng)極的反滲作用被大大加強(qiáng)[16-17]，因而使用陽(yáng)極氣體壓力降比陰極氣體壓力降診斷水淹具有優(yōu)勢(shì)：未水淹時(shí)陽(yáng)極幾乎無(wú)液態(tài)水存在，而陰極始終會(huì)有水的生成，呈現(xiàn)氣-液兩相流狀態(tài)，因此當(dāng)陽(yáng)極出現(xiàn)液態(tài)水積聚時(shí)，可以很快從壓力降的變化中得到反饋，診斷更敏感。陽(yáng)極氫氣過(guò)量系數(shù)很小，幾乎全部在電化學(xué)反應(yīng)中消耗，對(duì)液態(tài)水的吹掃能力遠(yuǎn)弱于陰極，因而對(duì)水淹的抵抗能力更弱，需要優(yōu)先診斷。陰極水淹易發(fā)生在大電流條件下，而陽(yáng)極由于氣體流量過(guò)小，在各個(gè)工況下都可能發(fā)生水淹，因而陽(yáng)極對(duì)水淹的診斷范圍更廣。本課題組通過(guò)理論推導(dǎo)和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，提出了PEMFC理論陽(yáng)極氣體壓力降的公式[16]式中^pf——陽(yáng)極氣體壓力降的理論計(jì)算值(未水淹時(shí))Cw——流道寬度Cd——流道高度L——流道長(zhǎng)度n——流道條數(shù)pH2——陽(yáng)極氣體進(jìn)口壓力T——PEMFC溫度psat當(dāng)前溫度下的飽和蒸汽壓入H2——陽(yáng)極氣體過(guò)量系數(shù)I——電流PEMFC運(yùn)行溫度通常高于313K，因此只需使用式(1)中313K<T<373K的公式。本文通過(guò)燃料電池測(cè)試臺(tái)對(duì)一個(gè)兩片的PEMFC進(jìn)行水淹實(shí)驗(yàn)并監(jiān)測(cè)ApH2的變化規(guī)律，PEMFC的單片活性面積為274cm2。燃料電池測(cè)試臺(tái)主要包括供氣系統(tǒng)、氣體增濕器、電池冷卻系統(tǒng)以及相關(guān)的傳感器和管道等，用于PEMFC的相關(guān)實(shí)驗(yàn)，如圖1所示。圖1燃料電池實(shí)驗(yàn)照片F(xiàn)ig.1PictureofPEMFCexperiments此外，電壓是PEMFC最重要的輸出參數(shù)，也是診斷水淹發(fā)生的重要依據(jù)[13-14],在實(shí)驗(yàn)中也做了采集與記錄。2實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與結(jié)果為了加速PEMFC的水淹，在PEMFC運(yùn)行中對(duì)燃料氣體均采取100%增濕，并設(shè)定PEMFC不同的I、T、pH2和入H2,進(jìn)行水淹過(guò)程的對(duì)比實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)計(jì)如表1所示。表1水淹實(shí)驗(yàn)工況條件Tab.1Operationconditionsoffloodingexperiments水淹實(shí)驗(yàn)序號(hào)電流I/A電池溫度T/K氫氣壓力pH2/kPa氫氣過(guò)量系數(shù)入H21-1503181201.21-2253181201.21-3753181201.22-1503181201.22503281201.22-3503131201.23-1503181201.23-2503181351.23-3503181501.24-1503181201.24-2503181201.54-3503181202.0實(shí)驗(yàn)中陰極氣體壓力與陽(yáng)極相等，陰極氣體過(guò)量系數(shù)為2.0。其中水淹實(shí)驗(yàn)1-1、2-1、3-1和4-1實(shí)為同一實(shí)驗(yàn)，下文統(tǒng)一以編號(hào)0-1表示，共計(jì)9個(gè)水淹實(shí)驗(yàn)(每組中的3個(gè)實(shí)驗(yàn)為對(duì)比實(shí)驗(yàn)，共4組)。實(shí)驗(yàn)中采集了PEMFC的電壓、陽(yáng)極氣體壓力降A(chǔ)pH2，據(jù)此擬合了陽(yáng)極氣體壓力降的變化趨勢(shì)，并與未水淹時(shí)的理論陽(yáng)極氣體壓力降A(chǔ)pf一同繪制成實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線，所有實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2。3分析與討論3.1水淹過(guò)程分析在PEMFC的流道內(nèi)，經(jīng)常呈現(xiàn)氣-液兩相流，兩相的流速、流量等因素會(huì)影響液相的形態(tài)［18］，很多可視化的實(shí)驗(yàn)也對(duì)PEMFC流道內(nèi)水形成、積聚和隨著氣體而流動(dòng)的狀態(tài)進(jìn)行了研究［19］。研究表明液態(tài)水在流道內(nèi)的積聚將經(jīng)歷離散的小液滴、穩(wěn)定的較大液滴、液體薄膜和堵塞流道的水團(tuán)4個(gè)階段［20］,如圖3。從圖2中可以看出，在整個(gè)水淹過(guò)程中，ApH2呈現(xiàn)較為明顯的〃兩級(jí)臺(tái)階”的特征，具有2個(gè)平臺(tái)段和2個(gè)上升段(僅水淹實(shí)驗(yàn)4-3未出現(xiàn)第2個(gè)上升段)。電壓在ApH2第2個(gè)上升段時(shí)會(huì)有明顯下降，而在前兩個(gè)特征段里基本可以較穩(wěn)定的保持。綜合ApH2的〃兩級(jí)臺(tái)階”變化特征以及流道內(nèi)水積聚過(guò)程的相關(guān)研究成果，發(fā)現(xiàn)兩者可以很好地吻合，并將PEMFC從未水淹到陷入水淹的整個(gè)過(guò)程分為良好期、濕潤(rùn)期、過(guò)渡期和水淹期4個(gè)階段。圖2水淹實(shí)驗(yàn)結(jié)果曲線Fig.2Resultsoffloodingexperiments(a)實(shí)驗(yàn)0-1(b)實(shí)驗(yàn)1-2(c)實(shí)驗(yàn)1-3(d)實(shí)驗(yàn)2-2(e)實(shí)驗(yàn)2-3(f)實(shí)驗(yàn)3-2(g)實(shí)驗(yàn)3-3(h)實(shí)驗(yàn)4-2(i)實(shí)驗(yàn)4-3圖3流道內(nèi)水形成與積聚過(guò)程Fig.3Formationandaccumulationofwaterinchannels良好期:未發(fā)生水淹時(shí)，陽(yáng)極流道內(nèi)無(wú)液態(tài)水或僅存在少量離散的小液滴，基本如圖3中單相流的狀態(tài)，因而ApH2與Apf相吻合，最大誤差不超過(guò)3%，處于第1個(gè)平臺(tái)段，整個(gè)PEMFC保持穩(wěn)定的運(yùn)行電壓，處于良好的運(yùn)行狀態(tài)。濕潤(rùn)期:隨著陽(yáng)極流道內(nèi)的液滴數(shù)量越來(lái)越多、體積越來(lái)越大，單相流逐漸向液滴流過(guò)渡，這個(gè)過(guò)程中，流道內(nèi)積聚的液滴對(duì)氣流的阻礙作用不斷增強(qiáng)，因而ApH2不斷升高，逐漸偏離Apf，表現(xiàn)為第1個(gè)上升段。但此時(shí)無(wú)論是流道還是氣體擴(kuò)散層內(nèi)，大部分空間仍可保證反應(yīng)氣體的暢通流量，充分的水量甚至還能促進(jìn)膜的水合作用，因此電壓不會(huì)因水量的增加而受明顯影響，保持相對(duì)穩(wěn)定，整個(gè)PEMFC處于濕潤(rùn)的較為良好的運(yùn)行狀態(tài)。過(guò)渡期:隨著流道內(nèi)的液態(tài)水滴繼續(xù)增多，水滴間就會(huì)互相連接和合并，氣-液兩相呈現(xiàn)薄膜流的狀態(tài)。此時(shí)液態(tài)水的含量仍不足以阻擋氣體在流道內(nèi)的流動(dòng)，會(huì)為氣體留出流動(dòng)的通道，ApH2在這個(gè)過(guò)程中會(huì)由于薄膜層的存在而保持在一個(gè)較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，即第2個(gè)平臺(tái)段。在這此期間，流道內(nèi)和氣體擴(kuò)散層內(nèi)的液態(tài)水不斷侵占?xì)怏w流動(dòng)和擴(kuò)散的空間，順暢的電化學(xué)反應(yīng)也經(jīng)受著挑戰(zhàn)，整個(gè)PEMFC處于向水淹過(guò)渡的過(guò)程。水淹期:隨著液態(tài)水越聚越多，液態(tài)水在流道內(nèi)會(huì)形成足以堵塞流道的水團(tuán)，氣體流動(dòng)轉(zhuǎn)成被阻塞的水團(tuán)流狀態(tài)。在水團(tuán)不斷形成壯大的趨勢(shì)中也會(huì)不斷伴隨著水團(tuán)被沖散（氣體與液體不斷競(jìng)爭(zhēng)），因而△pH2會(huì)存在不規(guī)則的較大波動(dòng)。但由于水淹已經(jīng)難以阻擋，因而陽(yáng)極氣壓力降整體呈現(xiàn)上升趨勢(shì)，即第2個(gè)上升段。此時(shí)流道內(nèi)與氣體擴(kuò)散層內(nèi)已經(jīng)大量積聚了液態(tài)水，嚴(yán)重阻礙了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，因而PEMFC的電壓也會(huì)在波動(dòng)中快速下降，整個(gè)PEMFC陷入水淹。值得一提的是，由于陰極側(cè)氣體流量遠(yuǎn)大于陽(yáng)極，陰極側(cè)在PEMFC正常工況運(yùn)行過(guò)程中幾乎均處于薄膜流的狀態(tài)，遠(yuǎn)不如陽(yáng)極側(cè)變化特征這么顯著，因此使用△pH2的變化特征來(lái)診斷水淹具有更高的敏感性和實(shí)用性。3.2運(yùn)行條件對(duì)〃臺(tái)階”相對(duì)幅度中DP的影響從圖2b-2i的結(jié)果可以看出，在不同的I、T、pH2和入H2下的水淹實(shí)驗(yàn)中，第1個(gè)平臺(tái)段均與Apf很好地吻合。由于兩級(jí)〃臺(tái)階”之間即為保證PEMFC電壓穩(wěn)定的濕潤(rùn)段，因此有必要計(jì)算兩級(jí)〃臺(tái)階”之間的幅度，并研究不同運(yùn)行參數(shù)對(duì)此幅度的影響。不同條件下的Apf不同，因此〃臺(tái)階”幅度采用比例數(shù)值來(lái)表征，定義為式中ApH2-2——第2個(gè)〃臺(tái)階”的陽(yáng)極氣體壓力降圖2a-2i9組水淹實(shí)驗(yàn)的中DP的結(jié)果分別為16.7%、15.6%、16.2%、21.9%、22.9%、25.0%、38.4%、35.8%和24.1%?？梢钥闯?，1對(duì)于中DP幾乎沒(méi)有影響，T的影響也較小。這是由于I在陽(yáng)極氣體壓力降的計(jì)算和液態(tài)水的生成上都是比例因子，因而在中DP的計(jì)算中恰好可以等比例約去;而在適宜PEMFC工作的40~80°C之間，隨著T的升高，一方面會(huì)增加進(jìn)入陽(yáng)極流道的混合氣體流量從而提高氣體流速，另一方面也會(huì)因氫氣的反應(yīng)消耗而冷凝出更多的液態(tài)水，存在著相互制約的作用，計(jì)算可知在此溫度范圍內(nèi)氫氣的分壓仍占據(jù)著主要的部分，因而T對(duì)于中DP的影響較小。pH2對(duì)于中DP存在顯著影響，隨著pH2的提高，中DP明顯增大，說(shuō)明PEMFC抵抗水淹能力提升，這是由于pH2是一種表征氣體能量的參數(shù)，提高pH2就意味著加強(qiáng)了氣體對(duì)于液態(tài)水的吹掃能力。同時(shí)，由于陰陽(yáng)極需要同時(shí)提升pH2，陰極側(cè)也相應(yīng)提高了抗水淹的能力。因此，提高pH2是提高PEMFC抗水淹能力的有效手段，從而提供了更寬廣的濕潤(rùn)段用于水淹的預(yù)警和調(diào)節(jié)。當(dāng)然，對(duì)于PEMFC不能隨意提高其pH2，應(yīng)按照其設(shè)計(jì)參數(shù)運(yùn)行，否則容易對(duì)膜和結(jié)構(gòu)部件造成沖擊。不同入H2下的PEMFC水淹實(shí)驗(yàn)結(jié)果呈現(xiàn)了較為復(fù)雜的變化特征。當(dāng)入H2從1.2提高至1.5時(shí)，中DP從16.7%提升至35.8%，這表明隨著入H2的增加，氣體可以更有效地阻止水團(tuán)的形成，從而延緩嚴(yán)重水淹情況的發(fā)生;當(dāng)入H2繼續(xù)提高至2.0時(shí)，中DP反而降低至24.1%，這是由于很大的入H2不僅使流道內(nèi)可以容納更大的水含量而不形成水團(tuán)，更可以壓制薄膜層的厚度，吹掃出更多的水，以致于流動(dòng)形式長(zhǎng)期處于薄膜流狀態(tài)而不形成水團(tuán)流，此時(shí)陽(yáng)極流道內(nèi)的氣-液兩相流形式與陰極流道內(nèi)的狀態(tài)頗為相似。盡管提高入H2可以防止PEMFC陷入嚴(yán)重水淹導(dǎo)致電壓迅速下降，但并不適合用于提高PEMFC抗水淹能力。首先，這會(huì)造成氫氣的浪費(fèi)，嚴(yán)重降低系統(tǒng)的效率；其次，提高入H2盡管可以保持電壓，但并不是通過(guò)減少PEMFC內(nèi)的水含量，而是依靠大流量的氣體與液態(tài)水的競(jìng)爭(zhēng)以維持基本的電化學(xué)反應(yīng)，如圖4,在水淹實(shí)驗(yàn)4-3中的第2個(gè)平臺(tái)段時(shí)，若將入H2從2.0調(diào)節(jié)至1.2，則電壓會(huì)立即下降，只有再將入H2升高至2.0時(shí)，電壓才能得到恢復(fù)，這說(shuō)明此時(shí)PEMFC內(nèi)部已經(jīng)積存了大量的液態(tài)水，實(shí)際上已經(jīng)處于水淹狀態(tài)。圖4水淹實(shí)驗(yàn)4-3中入H2調(diào)節(jié)過(guò)程中的電壓響應(yīng)Fig.4Voltageresponseas入H2hangesinflooding4-34水淹預(yù)警與自愈研究根據(jù)ApH2的變化特征，可以將PEMFC整個(gè)的水淹過(guò)程分為良好段、濕潤(rùn)段、過(guò)渡段和水淹段4個(gè)階段，并且在適宜此PEMFC工作的條件（氣體壓力120kPa,陽(yáng)極氣體過(guò)量系數(shù)1.2）下，中DP約為20%。另外，根據(jù)電壓的相應(yīng)變化趨勢(shì)可以看出，當(dāng)PEMFC處于良好段和濕潤(rùn)段時(shí)，PEMFC輸出性能仍較好;當(dāng)PEMFC處于水淹段時(shí)，電壓會(huì)迅速下降。因此，可以用ApH2的上升作為PEMFC水淹發(fā)生的預(yù)警，并且嚴(yán)格控制ApH2超過(guò)Apf的幅度中H2不大于20%。實(shí)際上，為了實(shí)現(xiàn)PEMFC既不水淹也不缺水，可以進(jìn)一步控制中H2位于5%~10%（可根據(jù)實(shí)際工況需要進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整），使PEMFC工作在一個(gè)“微濕未淹”的狀態(tài)下，如圖5為PEMFC水淹控制區(qū)劃分的示意圖。當(dāng)PEMFC的ApH2處于濕潤(rùn)期但未處于最理想的〃微濕未淹”范圍內(nèi)時(shí)，可以通過(guò)控制電池反應(yīng)溫度的方法來(lái)改變氣體的相對(duì)濕度并進(jìn)而調(diào)節(jié)PEMFC內(nèi)部的液態(tài)水含量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間PEMFC將達(dá)到新的水含量狀態(tài)，很多學(xué)者的研究也證實(shí)了這個(gè)方法的可行性。由于PEMFC的中DP為20%，因此通過(guò)公式（1）進(jìn)行反計(jì)算可知在PEMFC運(yùn)行溫度范圍內(nèi)，調(diào)節(jié)約5°C即可實(shí)現(xiàn)“微濕未淹”的控制，具有很好的實(shí)用性。同時(shí)采取直接調(diào)節(jié)氣體增濕的方法也可以對(duì)水淹現(xiàn)象進(jìn)行緩解。圖5PEMFC水淹控制區(qū)劃分示意圖Fig.5FloodingcontrolzonesofPEMFC若PEMFC已經(jīng)處于過(guò)渡期甚至水淹期時(shí)，由于PEMFC內(nèi)部水含量很多，電池性能隨時(shí)存在迅速下降的風(fēng)險(xiǎn)，因此僅通過(guò)電池溫度的調(diào)整難以及時(shí)防止PEMFC陷入水淹，需要更直接的手段排除PEMFC內(nèi)的液態(tài)水。陽(yáng)極脈沖排氣是一個(gè)較為有效的手段，可以通過(guò)瞬間的大氣流吹散甚至吹掃出陽(yáng)極流道內(nèi)的水團(tuán)，使△pH2恢復(fù)到理想數(shù)值，電壓也迅速回升，圖6即為在水淹實(shí)驗(yàn)2-2中當(dāng)PEMFC處于水淹期后采用脈沖排氣的效果。圖6水淹實(shí)驗(yàn)2-2中脈沖排氣效果圖Fig.6Effectofpurgeinflooding2-2但脈沖排氣的方法存在3個(gè)主要問(wèn)題:首先，脈沖排氣會(huì)在陽(yáng)極產(chǎn)生瞬間的壓力波動(dòng)，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜兩側(cè)壓力的不平衡，甚至可能會(huì)因此而造成膜的損壞;其次，脈沖排氣雖然可以有效地吹掃水團(tuán)，使ApH2和電壓恢復(fù)到理想的數(shù)值，但并未從根本上改變產(chǎn)生水淹的運(yùn)行條件，也無(wú)法吹掃出全部的多余液態(tài)水，因而PEMFC還將重新陷入水淹，因此脈沖排氣僅是防止PEMFC陷入完全水淹的暫時(shí)性手段，而不是解除水淹的根本方法;再次，當(dāng)PEMFC進(jìn)入水淹段形成水團(tuán)后，脈沖排氣才能起到很好的排水效果，而當(dāng)PEMFC處于過(guò)渡期時(shí)，由于薄膜形態(tài)的液態(tài)水對(duì)于快速氣流的剪切力不敏感，因而脈沖排氣效果不佳，所以脈沖排氣在水淹發(fā)生的中前期效果不佳，僅應(yīng)作為PEMFC發(fā)生嚴(yán)重水淹后的補(bǔ)充應(yīng)急方法。另外，從實(shí)驗(yàn)的結(jié)果中可以看出，增大入H2可以較有效地防止PEMFC陷入水淹段，暫時(shí)保持性能輸出的穩(wěn)定，因而當(dāng)PEMFC進(jìn)入過(guò)渡段甚至水淹段時(shí)，可以在迅速調(diào)節(jié)電池溫度的同時(shí)暫時(shí)加大入H2以保持電池性能輸出，直到通過(guò)溫度調(diào)節(jié)的方式使得PEMFC解除水淹現(xiàn)象為止。5結(jié)論水淹研究是車用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)控制的重要課題，而氣體壓力降是診斷PEMFC水淹的重要參數(shù)，本文通過(guò)對(duì)一個(gè)兩片的PEMFC電池進(jìn)行不同I、T、pH2和入H2條件下的水淹實(shí)驗(yàn)，觀察ApH2的變化特征并分析水淹發(fā)生過(guò)程，提出了利用ApH2進(jìn)行PEMFC水淹預(yù)警的方法，并對(duì)水淹的調(diào)節(jié)和自愈方案進(jìn)行了研究，得到了以下結(jié)論：水淹過(guò)程中ApH2具有〃兩級(jí)臺(tái)階”的變化特征，很好地對(duì)應(yīng)于流道內(nèi)液態(tài)水積聚過(guò)程所經(jīng)歷的離散的小液滴、穩(wěn)定的較大液滴、液體薄膜和堵塞流道的水團(tuán)4個(gè)狀態(tài)。因此，可以根據(jù)此特征將PEMFC的水淹過(guò)程分為良好期、濕潤(rùn)期、過(guò)渡期和水淹期4個(gè)階段，電壓也在PEMFC陷入水淹后迅速下降。研究中DP對(duì)于防止PEMFC陷入水淹具有重要意義。實(shí)驗(yàn)表明，I和T對(duì)于中DP的影響很小;增大pH2可以顯著提高中DP，說(shuō)明增大pH2可以提高PEMFC抵抗水淹的能力;增大入H2也可以影響中DP的數(shù)值，并防止PEMFC性能因水淹而迅速下降，但卻浪費(fèi)了氫氣，降低了系統(tǒng)效率。⑶在pH2為120kPa，入H2為1.2的條件下，本研究所使用PEMFC的中DP約為20%。為了保證PEMFC內(nèi)部既不水淹也不缺水，可以考慮進(jìn)一步控制中H2為5%~10%，使其工作在〃微濕未淹”條件下，在濕潤(rùn)段內(nèi)可以通過(guò)調(diào)節(jié)PEMFC工作的溫度來(lái)控制PEMFC內(nèi)部水含量。⑷陽(yáng)極脈沖排氣可以暫時(shí)使陷入水淹的PEMFC的ApH2和電壓恢復(fù)到理想狀態(tài)，但并未從根本上改變PEMFC發(fā)生水淹的條件，無(wú)法解除PEMFC發(fā)生水淹的狀態(tài)，并且會(huì)在排氣瞬間對(duì)質(zhì)子交換膜造成壓力沖擊，可作為水淹應(yīng)急方案。水淹時(shí)增大入H2，可以為調(diào)節(jié)PEMFC溫度來(lái)解除水淹提供更多的時(shí)間，是暫時(shí)防止PEMFC陷入嚴(yán)重水淹的方法之一。參考文獻(xiàn)1陳靜，王登峰，劉彬娜燃料電池-蓄電池-超級(jí)電容混合動(dòng)力汽車控制策略[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)，2008,39(10):36-39.ChenJing,WangDengfeng,LiuBinna.Controlstrategyoffuelcell-battery-ultracapacitorhybridelectricvehicle[J].TransactionsoftheChineseSocietyforAgriculturalMachinery,2008,39(10):36-39.(inChinese)YanQG,HosseinT,WuJX.InvestigationofwatertransportthroughmembraneinaPEMfuelcellbywaterbalanceexperiments[J].JournalofPowerSources,2006,158(1):316-325.HeGL,YamazakiY,AbudulaA.AdropletsizedependentmultiphasemixturemodelfortwophaseflowinPEMFCs[J].JournalofPowerSoures,2009,194(1):190-198.St-PierreJ,WilkinsonD,KnightsS.Relationshipsbetweenwatermanagement,contaminationandlifetimedegradationinPEMFC[J].JournalofNewMaterialsforElectrochemicalSystems,2000,3(2):99-106.NajjariM,KhemiliF,NasrallahSB.TheeffectsofthecathodefloodingonthetransientresponsesofaPEMfuelcell[J].RenewableEnergy,2008,33(8):1824-1831.OusT,ArcoumanisC.VisualisationofwateraccumulationintheflowchannelsofPEMFCundervariousoperatingconditions[J].JournalofPowerSources,2009,187(1):182-189.WengFB,SuY,HsuCY.Thestudyoftheeffectofgasstoichiometricflowrateonthechannelfloodingandperformanceinatransparentfuelcell[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2007,32(6):666-676.OwejanJP,TraboldTA,JacobsonDL,etal.EffectsofflowfieldanddiffusionlayerpropertiesonwateraccumulationinaPEMfuelcell[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2007,32(17):4489-4502.ChenFL,ChangMH,FangCF.Analysisofwatertransportinafive-layermodelofPEMFC[J].JournalofPowerSources,2007,164(2):649-658.KarnikAY,StefanopoulouAG,SunJ.Waterequilibriaandmanagementusingatwo-volumemodelofapolymerelectrolytefuelcell[J].JournalofPowerSources,2007,164(2):590-605.PaquinM,FrechetteLG.Understandingcathodefloodinganddry-outforwatermanagementinairbreathingPEMfuelcells[J].JournalofPowerSources,2008,180(1):440-451.SteinerNY,HisselD,MocoteguyP,etal.Diagnosisofpolymerelectrolytefuelcellsfailuremodes(flooding&dryingout)byneuralnetworksmodeling[J].InternationalJournalofHydrogenEnergy,2011,36(4):3067-3075.GorgunH,ArcakM,BarbirF.Analgorithm