空氣流量對空冷燃料電池電堆性能的影響研究

氫能由于其可持續(xù)循環(huán)利用、清潔、高效等優(yōu)點被認為是未來理想的綠色能源解決方案[1-2]。以氫為燃料的質子交換膜燃料電池是一種將氫和氧化劑的化學能直接轉化為電能的高效能量轉換裝置[3-4]。與水冷型燃料電池相比，空冷型氫燃料電池采用開放型陰極，具有自增濕、系統(tǒng)簡單輕便等特點，可作為無人機、備用電源、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能量來源[5-6]。然而空冷型氫燃料電池最高工作電流密度較低，限制了其最高輸出功率。為了進一步提升其性能，不少學者針對水、熱管理策略及傳質性能開展了大量研究。

對于具有開放陰極通道的空冷型電堆，電堆內溫度和水分布的非均勻性是限制其性能的關鍵因素[7-8]?？绽潆姸褍葴夭羁梢赃_到14℃，而水冷電堆內溫差通常限制在4℃?？諝饬鲃邮怯绊戨姸牙鋮s效果的關鍵因素。D'Souza等[9]的電堆熱分析表明風扇輪轂區(qū)域和邊緣區(qū)域的空氣流速較低，導致該處電池的溫度偏高。通過改變風扇控制策略可以優(yōu)化空氣流場。De las Heras等[10]對不同風扇數量和控制策略進行了對比分析，結果表明4個風扇將導致部分氣流短路而降低冷卻效果。Yuan等[11]采用風扇換向的方式，使得空氣不斷切換流動方向，將電堆內最大溫差從2.35℃降低至0.78℃。Hu等[12]指出增加空氣計量比可以使得更多的熱量被空氣帶走，降低溫度。Ou等[13]兼顧功率提高及過熱保護，提出了最優(yōu)氧氣過剩率的風扇控制策略，在低電流時采用較高的氧氣過剩率以避免溫度過熱。此外，Al-Anazi等[14]研究了在阿拉伯地區(qū)環(huán)境條件下燃料電池的特性，結果表明環(huán)境溫度對電堆運行溫度有很大影響，在夏天溫暖濕潤的條件下電堆輸出性能更好。Dudek等[15]指出通過采用2個1 kW電堆并聯(lián)方式可以減小電堆的溫度差。

通過優(yōu)化雙極板流場也可以強化空氣傳質傳熱效果[5,16]。Lee等[17]采用橫截面積沿流動方向逐漸增加的反應空氣通道降低反應物流速，減少隨之帶走的蒸汽量，與之對應的冷卻空氣流道橫截面積逐漸減小，可以加速熱量的排出。通過對比不同通道寬度以及不同通道/脊寬度比例結構的燃料電池，Zhao等[18]指出通道寬度存在最優(yōu)值，而通道與脊的寬度比例越小性能越好，并提出具有一定弧度的流場可以利用離心力作用將更多的空氣帶入擴散層。為了使反應物分布更均勻，Kang等[19]利用泡沫材料作為流場，燃料電池最大功率密度提升了25%。Pl?ger等[20]及Song等[21]采用格柵等旋渦發(fā)生裝置，促進垂直流道方向的流動。

在水管理方面，由于空氣冷卻通常需要大流量空氣流入，有可能導致膜電極干燥，因此，需保證運行過程中膜電極具有一定濕度，同時避免局部水淹。Zhao等[22]指出可以通過提高微孔層的聚四氟乙烯（PTFE）含量提升保水性能，減少膜電極阻抗，提升輸出性能。為了解決水淹引起的電壓下降問題，Jian等[23-25]對“閉端”（dead-end）陽極的吹掃策略進行了優(yōu)化，兼顧了電壓穩(wěn)定性和氫氣利用率。

綜上所述，在空氣流量控制策略、流場優(yōu)化及膜電極材料等方面開展了大量研究，然而空冷電堆中大流量空氣的冷卻方式將導致膜電極干燥，這一矛盾仍然是影響空冷電堆性能的關鍵因素。為了揭示空冷氫燃料電池的空氣流量對溫度分布及水傳質的影響機理，本文對自組裝的800 W空冷型燃料電池電堆進行實驗測試和數值分析，開展不同空氣風扇轉速工況下電堆輸出功率和溫度分布測試，基于多物理場數值模型揭示各工況下燃料電池內溫度、水分布特性，提出針對不同電流載荷的風扇控制策略。

1 實驗系統(tǒng)

1.1 實驗裝置

實驗系統(tǒng)包括測試電堆、電子負載、數據采集儀、直流電源等，如圖1(a)所示。氫氣（純度99.999%）通過氫氣瓶經減壓閥供給，設定壓力為0.05 MPa。陽極采用“閉端”出口，未消耗的氫氣和產物水蒸氣尾氣通過控制電磁閥的啟閉實現間歇式排放。利用三洋DC 12 V風扇將空氣吸入至電堆，并采用脈寬調制器（PWM）調節(jié)占空比d以控制風扇轉速及空氣流量。風扇以及氫氣出口電磁閥通過外接直流電源供電。采用ITECH 8900A電子負載模擬不同的電流或電壓加載工況。將K型熱電偶布置在通道陰極通道出口側，共9個測溫點（T1~T9），如圖1(b)所示。電線與極板連接測試通道及電堆電壓。采用Keysight 34970A數據采集儀記錄電堆電壓（精度±0.005%）和熱電偶溫度（精度±1℃）信號。

圖1

圖1   測試系統(tǒng)示意圖

Fig.1   Schematic diagram of experimental setup

1.2 電堆組裝

測試電堆為實驗室設計組裝的電堆，如圖2(a)所示，陽極流道采用蜿蜒平行通道，陰極流道采用開放式直流道。采用SinoHykey膜電極，膜電極的有效反應面積為98 cm2，厚度為25 μm，采用Pt催化劑。膜電極與擴散層構成膜電極組件。電堆共包括36片石墨雙極板以及35片膜電極組件。通過6組螺桿及螺母對端板施加壓力，將雙極板、膜電極以及集流板緊密地組裝在一起。采用富士LLW（0.5~2.5 MPa）壓感紙進行了壓力測試，結果如圖2(b)所示，密封圈位置顯色更深，表明壓力較大，在反應活性區(qū)域盡管顯色淺但也具有一定的壓緊力。為保證密封性和一定的壓緊力，確定了3.5 N·m的裝配扭力。

圖2

圖2   測試電堆及壓感紙測試結果

Fig.2   Assembled stack and results of pressure sensitive test

1.3 實驗步驟

在組裝完成后，對電堆進行了充分的活化，以確保性能穩(wěn)定。實驗測試的環(huán)境溫度為（28±2）℃；空氣相對濕度70%±10%，空氣通過風扇吸入，空氣流量隨PWM占空比增加而增加，流量取值范圍在1~2.2 m3/min,計量比的范圍為20~600；氫氣壓力0.05 MPa，相對濕度為0，出口為閉端，計量比為1。測試時，先開啟風扇，調節(jié)PWM占空比至目標值，然后開啟氫氣減壓閥，將壓力控制在0.05 MPa；待開路電壓保持穩(wěn)定后，控制電子負載的載荷電流從5 A遞增至60 A，遞增幅度為5 A，每個電流值保持2 min使電堆達到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄輸出電壓、溫度值，數據采集間隔為8 s；測試期間通過控制氫氣出口電磁閥啟閉間歇式排放，以保證電堆內反應物充足；加載完成后，逐步降低載荷至零，最后關閉氫氣減壓閥。

2 數值模型

2.1 控制方程

為了探究空冷型燃料電池內部的溫度和組分分布情況，采用基于計算燃料電池動力學的數值方法[26-28]對單電池進行建模分析?？刂品匠探榻B如下。

連續(xù)性方程：

??ρu=0(1)

動量方程：

1ε1ε??ρu2=-?p+??μ?u+Su(2)Su=-μKu(3)

式中，Su 為動量源項，表示催化層和擴散層多孔介質內的流動阻力。

組分方程：

??uCk=??Deffk?Ck+SCk(4)SCk=-skjnF-??ndFie(5)

式中，SCk為組分k的濃度源項，表示催化層內反應物或產物的消耗及生成，以及膜電極內水的電滲遷移。

電荷方程：

0=??κeff??e+S?e(6)0=??σeff??s+S?s(7)S?e=-S?s=j(8)

式中，S?s和S?e分別為催化層內質子電勢源項和電子電勢源項。

能量方程：

??ρcpuT=??keff?T+ST(9)ST=jη-TdU0dT+ie2κeff+is2σ(10)

式中，ST 為能量源項，包括反應熱和質子及電子傳輸的歐姆熱。

2.2 電化學性能及材料參數

電化學反應速率用Butler-Volmer公式表示為：

ja=j0,refH2CH2CrefH21/2αa+αcRTFη(11)jc=j0,refO2CO2CrefO2exp-αcRTFη(12)η=?s-?e-U0(13)

式中，參考濃度CrefH2=CrefO2=40 mol/m3，反應傳輸系數αa=αc=1，陽極和陰極的基準體積交換電流密度j0,ref為：

j0,refH2=109A/m3(14)j0,refO2=j0,refO2353.15Kexp-137001T-1353.15,?j0,refO2353.15K=104A/m3(15)

催化層中包括膜相、固相和孔隙，其中，水在膜相材料內以膜態(tài)水的形式存在，而在孔隙內以水蒸氣形式存在，膜態(tài)水與水蒸氣傳遞過程達到平衡時，膜內含水量λ與水蒸氣濃度Cw的關系可表示為：

λ=0.043+17.18a-36.0a2+36.0a3,?a<114,?a=1(16)a=CwCsat(17)

基于式（16）和式（17）以及水蒸氣組分方程式（4）和式（5）就可以求解水蒸氣濃度分布。

式（4）中水在膜電極材料的擴散系數為：

DmemH2O=3.1×10-5λe0.28λ-1e-2436T,?0<λ≤34.17×10-6λ1+161e-λe-2436T,?λ>3(18)

式（7）電解質相的電荷傳輸方程中，膜電極材料的質子傳導率為膜含水量和溫度的函數，表示為：

κ=εm1.50.5139λ-0.326exp22221303-1T(19)

模型中材料物性參數及工況條件列于表1。

表1   材料物性參數及工況條件

Table 1  Physical properties and working conditions

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2.3 邊界條件

陽極氣體通道入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界。入口流速uin,a為：

uin,a=ξai2FAmemCH2Aa,GC(20)

式中，陽極氫氣化學計量比取接近于1的值以表示“閉端”條件，即ξa=1.2。

陰極氣體通道入口和出口為壓力邊界，入口壓力值與風扇轉速相關。

氣體通道入口的溫度與環(huán)境溫度相等，氫氣和氧氣濃度為環(huán)境溫度和給定壓力條件下的濃度值。

在陰極外側表面設置電流載荷，同時，在陽極外側表面電子勢為零作為參考電勢，則求解得到的陰極外側表面電勢值即為電池電勢，邊界條件如下：

?sanodewall=0,??s?ncathodewall=i(21)

其他邊界各變量均為flux=0。

3 結果與討論

3.1 模型驗證

對網格模型進行了網格無關性驗證[28]，在膜電極區(qū)域采用較密的網格劃分（厚度方向的網格節(jié)點數為29）以保證電化學反應求解的精度，整個模型的網格單元數為22萬個。

為了驗證數值模型的有效性，將單通道燃料電池模型計算結果與實驗測試結果進行對比。根據風扇的性能曲線[35]與燃料電池氣體通道流動特性曲線，如圖3(a)所示，可以得到，占空比為30%、50%、70%、90%的空氣流量分別為1.0、1.6、2.0、2.2 m3/min，對應的壓力值作為陰極空氣流動的邊界條件。選取性能最好的第3節(jié)電池測試結果以消除接觸電阻以及溫度邊界的影響。不同占空比下的極化曲線對比如圖3(b)所示，數值計算與實驗測試結果吻合較好。在占空比較低時，誤差偏大，可能是實際流場下流動阻力較大導致。

圖3

圖3   不同占空比時氣體通道壓力邊界取值及燃料電池極化曲線

Fig.3   Gas channel boundary pressure value selection and polarization curves of the fuel cell under different duty ratio

3.2 電堆輸出特性

不同占空比下，電流載荷I爬升過程中電堆輸出電壓Ustack隨時間的變化曲線如圖4所示。在初始時刻，加載電流為零，不同轉速的開路電壓略有不同，其與初始的膜電極含水量及環(huán)境溫度（26~28℃）相關，環(huán)境溫度略高且初始含水量略高的情況下則開路電勢較高。施加電流后，由于電化學反應會產生熱量和水，該范圍內環(huán)境溫度的波動對電壓的影響可以忽略。隨施加的電流階梯式爬升，電壓逐步降低，而且在電流突然增加時，會出現電壓先下降后回升至穩(wěn)定值的過程，即超調（overshoot）現象[36]。該現象表明了電流載荷改變后，膜電極內水和溫度分布重新達到新的穩(wěn)定狀態(tài)的響應過程較慢（30~50 s）。

圖4

圖4   不同占空比時的電堆輸出電壓隨電流爬升的變化曲線

Fig.4   Stack voltage variation with current climbing under different duty ratio

可以看到，在電流I<20 A時，不同轉速下的電堆輸出電壓基本一致，然而當電流繼續(xù)增加時，占空比較小的電堆輸出電壓依次出現大幅下降。d=70%、90%時，盡管電堆在大電流時仍能保持相對穩(wěn)定，但是超調現象的電壓回升變得非常不明顯，表明膜電極內水和溫度難以達到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度持續(xù)上升，而膜電極不斷變得干燥。

將各階段的電堆輸出電壓U、電流I和功率P繪制成極化曲線如圖5所示。根據極化曲線特性，電流I<10 A時，電壓損失主要為反應活化損失。由于電流密度較小，產熱量少且溫度差異很小，不同風扇轉速的輸出電壓和功率曲線基本一致。當電流增加至10~30 A時，接觸電阻和膜電極內阻導致的歐姆損失逐漸成為電壓損失的主導。尤其在大流量的吹掃作用下膜電極含水量降低，由式（19）可知，膜含水量λ越低則膜電極質子傳導率越低，從而將導致更多的歐姆損失。這也解釋了在10~30 A電流下d=50%的輸出電壓高于d為70%和90%工況的原因。當加載電流繼續(xù)增加（>30 A），風扇轉速越高，輸出電壓和功率越高，其原因將進一步討論。

圖5

圖5   不同占空比時的輸出性能

Fig.5   Performance curves under different duty ratio

以各風扇轉速下電堆功率平均值為基準計算電堆輸出功率Pi 的相對值，如圖6(a)所示。當加載電流在5~10 A時，占空比對輸出功率影響較?。划旊娏髟?0~30 A時，d=50%的輸出功率比d=70%和90%的輸出功率高；當電流≥40 A時，d=90%的輸出功率最高。

圖6

圖6   不同加載電流下的相對功率

Fig.6   Relative power under different current loadings

通過提高轉速提升電堆輸出功率的同時，用于驅動風扇電機的功率消耗也明顯增加。各占空比值與對應的風扇功率列于表2。

表2   不同占空比時的風扇功率

Table 2  Fan power at different duty ratio

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考慮風扇功率消耗后的電堆凈功率Pi'的相對值如圖6(b)所示。與之前的結果有明顯的不同，電流≤ 20 A時，d=30%的凈功率最高，隨d增加而凈功率降低；當電流繼續(xù)增加，30、40、50 A條件下最大凈功率對應的占空比值分別為50%、70%、90%。結合圖4中的動態(tài)輸出特性，在高電流時應選取較高的風扇轉速以保證輸出較為穩(wěn)定。

3.3 電堆溫度變化及分布

圖7為加載電流爬升過程中各溫度測點平均值Tavg隨時間的變化曲線。初始時刻的溫度即為環(huán)境溫度，隨著電流載荷的增加，電堆平均溫度逐漸上升。在電流較?。?em style="box-sizing: border-box;padding: 0px">I<20 A）時，由于反應產生的熱量較低，載荷改變后，溫度可以快速穩(wěn)定；當電流較大時，載荷改變后，產熱與散熱很難達到平衡，溫度持續(xù)上升?？梢钥吹?，風扇轉速對溫度影響顯著，降低風扇轉速可以將電堆溫度控制在較高水平，提高催化劑活性，而當電流較高時，必須有足夠的風量以避免溫度過高。

圖7

圖7   不同占空比時的電堆平均溫度隨電流爬升的變化曲線

Fig.7   Variation of the average stack temperature with current climbing under different duty ratio

以d=50%為例對電堆各區(qū)域的溫度進行對比，如圖8所示。沿高度方向，中部溫度最高，其次是底部和頂部；沿水平方向，中間溫度最高，其次是右側和左側。盡管產熱量隨電流增加，然而頂部和左側的溫度隨反應產生的熱量變化較小，可以推測該區(qū)域溫度較低是由于更靠近氫氣入口導致的。

圖8

圖8   d=50%溫度隨電流爬升的變化曲線

Fig.8   Temperature variation with current climbing at d=50%

為了分析不同占空比對溫度分布的影響，圖9給出了9個測點的標準差σ(T)變化曲線?？梢院苊黠@地看到，當電流增加時，不僅溫度升高，而且溫度標準差也越來越大。電堆內溫差較大將導致較大的溫差應力，加速膜電極的性能衰減過程。提高風扇轉速可以有效降低溫度標準差。因此，從溫度一致性的角度來看，采用較高的風扇轉速有利于延長膜電極的使用壽命。

圖9

圖9   不同占空比時的溫度標準差隨電流爬升的變化曲線

Fig.9   Temperature standard deviation variation with current climbing under different duty ratio

3.4 傳質傳熱特性

基于數值方法，對電流密度為3000、5000 A/m2條件下（分別對應于實驗中30 A和50 A電流工況），不同占空比條件時的燃料電池內各物理場和反應特性進行求解。得到的氧氣濃度（陰極催化層CCL與擴散層CGDL界面）、膜含水量（CCL中面）以及溫度（CCL中面）分布如圖10所示。圖10(a)中，各工況在脊下區(qū)域的氧氣濃度均略低，而通道下區(qū)域氧氣濃度略高，而且均呈現出沿空氣流動方向濃度逐漸降低的趨勢。在i=5000 A/m2條件下，氧氣濃度略低，但仍相對充足。因此，氧氣濃度并不是限制反應強度的主要因素。

圖10

圖10   不同占空比時的模擬結果

Fig.10   Simulation results under different duty ratio

圖10(b)中，膜含水量λ（水分子與磺酸基團SO3-H+的數量比）隨占空比增加而明顯增加，從而有利于提升膜電極質子傳導率，降低歐姆損失，這也解釋了3.2節(jié)中在大電流密度下輸出電壓隨占空比增加的原因。另外，脊下區(qū)域膜含水量比通道下區(qū)域含水量高，表明在吹掃作用下通道下區(qū)域水排出量更大；入口側膜含水量較低，沿流動方向膜含水量先增加后降低。

圖10(c)是不同占空比條件下催化層中面溫度分布云圖。影響溫度的原因主要有兩個，即熱量的產生和傳遞。圖10(b)中通道下方含水量較低，因而質子傳導率低，產生的歐姆熱更多，因此，盡管通道下吹掃作用可以帶走更多的熱量，但是通道下方區(qū)域溫度高于脊下區(qū)域。而在空氣流動方向，由于空氣不斷被加熱，呈現從入口至出口溫度遞增的趨勢[37]。對比相同電流載荷下的催化層溫度，可以發(fā)現，隨占空比增加催化層溫度降低。式（16）和式（17）中，膜含水量與飽和蒸氣壓力成反比，而飽和蒸氣壓與溫度正相關，即膜含水量與溫度負相關。因此，對于大電流密度條件，d=50%時，出口側溫度明顯增高，將導致膜含水量降低。通過提高風扇占空比降低溫度，可以有效提高膜含水量，減少歐姆損失，同時，結果表明其引起的吹掃排水量增加可以忽略。

4 結論

本文基于實驗和數值方法對自組裝的800 W空冷氫燃料電池電堆進行了不同風扇轉速下的輸出性能研究，對比分析了空氣流量對傳熱傳質特性及輸出功率的影響，主要結論如下。

（1）不同電流載荷條件下，風扇轉速對電堆輸出特性影響不同。小電流條件下，低風扇轉速的凈輸出功率較大，而大電流條件下，增加轉速可以明顯提高輸出功率。

（2）低風扇轉速下空氣流量小，可以保持電堆內溫度較高，提高催化劑活性；然而，當電流增大而產熱量隨之增加時，提高風扇轉速增加空氣流量可以有效避免溫度過高及溫度不均。

（3）數值結果揭示了電堆內傳熱傳質影響機理，催化層內溫度過高時，膜電極含水量降低，將導致質子傳導率降低，從而增加了歐姆損失。

（4）空冷型電堆內含水量較低是限制輸出功率的關鍵因素，可以通過強化傳熱的方法及采用保水性能更好的膜電極進一步提升輸出功率。

符號說明