单体PEMFC电压分布与风扇流速功耗平衡分析

朱星光,陈唐龙,韩 明

(1.西南交通大学电气工程学院,四川成都 610031;2.淡马锡理工学院清洁能源研究中心,新加坡 529757)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷却方法主要有两种:阴极空气冷却法和水冷却法。阴极空气冷却法又可分为空气自然对流扩散型和强迫对流型。选择冷却方法要依据不同的运行条件和工况要求。空气冷却法更简单,但随着电池的增大,很难保证将整个体系保持在同样的温度,冷却空气需要占用通道,使电堆体积远远大于实际所需。泵入1 kg水比泵入1 kg空气占用的孔道体积更小,而且冷却效果更好。在实际的系统应用中,影响冷却方式选择的一个重要原因在于“将产生的热用于何处”。如果仅仅是排放到空气中,就更倾向于空气冷却;如果该热量可以循环利用,如在小型家用热电联供系统中,使用水冷系统则更好,因为热量在水中比在空气中更容易转移并得到应用[1]。

有许多关于PEMFC的外部特性及内部机理的研究。L.Yongtaek等[2]利用电荷耦合器件(CCD)相机对燃料电池内部的流道进行考察,研究了电池内部的水交换情况,重点是水在质子交换膜两端的流动和在阴阳两极的集聚,对燃料电池性能的影响。M.Ciureanu等[3]通过对燃料电池的阻抗响应研究,提出了液态水在阴极的聚集是导致极限电流密度的主要原因。W.C.Choi等[4]研究证明:在一个排水周期内,水蒸气会先形成水滴,随着反应的进行最终形成连续的水流,积累在流道出口。如果采用风扇系统进行空气冷却,那么阴极的水很快就会被带走。

1 原理分析

PEMFC电堆内部进行电化学反应,氢气在阳极被离子化,释放出电子并产生氢离子(质子)。在阴极,氧气结合电极上的电子和电解质中的氢离子,形成水。

在PEMFC中,质子交换膜的膜电阻与含水量密切相关[5]。为了保证膜的含水量维持在适宜的水平,通常需要对反应气体进行增湿。对小型PEMFC系统而言,体积和紧凑性至关重要,辅助系统应最大程度地简单化。为了除去增湿系统,一个可行的方案是采用自增湿型质子交换膜。这种膜即使在反应气不增湿的情况下,仍能达到较适宜的湿度[1]。

2 实验

实验用PEMFC电堆由淡马锡理工学院清洁能源研究中心自制(见图1),属空气冷却强迫对流型,包含34只单体电池。单体电池由两片金属铝双极板中间夹膜电极“三合一”组件(M EA)构成。双极板的一面为封闭的阳极流场,使进入电池的氢气与大气隔绝;另一面为开放式阴极流场,空气可以流过,为电池提供氧气并起冷却作用。

图1 实验用PEMFC结构示意图Fig.1 The structure of PEMFC for experiment

图2为实验系统设备连接结构框图。

图2 实验系统设备连接结构框图Fig.2 Structure diagram of experimental system

氢气由储气库经输气管道供给。在PEMFC电堆后方安装风扇,以强迫空气流过阴极。电堆阳极氢气的出口,装有一个LHDA0533115H型电磁阀(Lee公司产),用来排气。采用PLZ1004W型可编程电子负载(Kikusui公司产)调节电池的输出,功率最高可达1 000 W,电压、电流变化范围分别为 15～150 V和0～200 A,电子负载与电脑相连,可监控、记录电池的运行参数,同时显示U-t、I-t、P-t曲线。用GPC-3030型直流电源(Instek公司产)为控制电路板和风扇供电。氢气采用单端进气方式供应,入口的压力为0.4×105Pa,实验室环境温度为22℃,空气湿度为47.8%,外部电子负载工作在恒电压(CV)模式。

3 结果与讨论

3.1 电池电压测试

进行电池电压测试时,在电堆的后方平行安装两台DC Brushless Model FFB0412UHN型直流风扇(Delta公司产)。

3.1.1 开路单体电池电压测试

单体电池的开路电压是电池性能的一项重要指标,通过这一数据可判断电池的均匀性是否符合要求[5]。

开路电压测试的步骤为:通入氢气→启动风扇→阳极排气3次→待电池电压稳定→逐一测量单体电池的开路电压。

经测定,电堆的开路电压为32.04 V,对应的单体电池平均开路电压为0.937 V。

单体电池开路电压的分布见图3。

图3 单体电池开路电压的分布Fig.3 Open circuit voltage distribution of single cell

从图3可知:单体电池的开路电压分布比较均匀,最高值、最低值分别为0.941 V和 0.932 V,最大偏差为0.009 V(0.96%)。第8号和第28号单体电池的电压明显低于其相邻的两只单体电池,是由于质子交换膜中存在局部的微小热点。靠近电池阳极氢气入口的单体电池,比远离阳极的单体电池电压略高。

燃料电池在运行过程中,越靠近阳极氢气入口,氢气所消耗的比例越小,而随着电池内部反应的进行,当氢气传质到出口时,因为燃料消耗导致氢气浓度最低,氢气分压减小,而产物水的比例则逐渐增加。

根据能斯特(Nernst)方程[5]可知:氢气分压(PH2)减小而水蒸气分压(PH2O)增大,将使电动势下降,因此,靠近阳极氢气进气口的单体电池,电压比远离氢气进气口的单体电池略高。

3.1.2 不同负载单体电池电压测试

分别为电堆加上不同的恒压负载,得到每一只单体电池的电压分布,结果见图4。

图4 不同负载单体电池电压分布Fig.4 Distribution of single cell voltage in different load

从图4可知:随着负载的增加(即负载电压的降低),单体电池电压的变化幅度越来越大,均匀性逐渐降低。由于对外输出功率的提高,电压降低、电流增大,电池内部电化学反应产生的水逐渐增多,不能及时排出,集聚在个别单体电池的质子交换膜中,产生“水淹”现象,使电流密度下降,反映在单体电池电压分布上,就是整体均匀性的降低。

某只单体电池电压在不同的负载条件下会出现相同的性质,如第10和第18只单体电池,均表现出了偏高的电压特性,而第11、19和31只单体电池则表现出了偏低的电压特性,在较大的电流条件下,观察到单体电池的电压分布规律相近,可推断该电堆的这些单体电池具有相似的性质。这对于定位性能欠佳的单体电池位置并进行改进和提高,具有重要的意义。

3.2 风扇系统流速与损耗平衡分析

燃料电池所使用的风扇系统是一种离心式鼓风机,主要有“前曲式”和“后曲式”两种类型。它们的名称与叶片的设计有关,两种叶片的方向是相反的,前曲式叶片有更高的空气吞吐量,但背压低;后曲式叶片适合较高的压力环境,但流速低。本文作者选择的3种不同的风扇,全部都是“前曲式”叶片。

定义一个冷却系统的效能(ηC)如下[5]:

式(1)中:Hout是热量移出的比速,Pcon是风扇系统消耗的功率。

从实验可知,在风扇系统中空气的流速和消耗的功率间存在着一个平衡,更高的流速可改善热交换的程度,但要增加风扇系统的功率消耗。这个平衡既可保证电池性能符合设计运行要求,又可起到散热冷却的作用,保证电堆运行安全,延长电堆使用寿命。

为了研究风扇系统的流速与功耗的平衡,测量了各风扇系统在不同电压下通过燃料电池阴极的空气流速、流量。3种风扇系统为:方案 a,1台DC Brushless Model FFB0412UHN风扇;方案b,2台首尾相接方式组装的DC Brushless Model FFB0412UHN风扇;方案c,1台San Ace40 9CRA0412P4J03风扇(Sanyo Denki公司产)。实验结果见图5。

图5 不同风扇系统不同电压下流速、流量和功率曲线Fig.5 Curves of wind speed,volume flow and power in different operation voltage of different fan system

从图5可知:随着风扇系统电压的下降,产生的通过燃料电池阴极的空气流速和流量会下降,电堆的输出功率也随之下降,但速度不同。

流速和流量的下降比电堆输出功率的下降更快,原因在于当风扇电压减小时,除去风扇驱动力减小导致的流速下降,流过阴极的空气中的氧气在电池内部被消耗,也会使流速和流量下降,而电堆的输出功率带有一定的滞后性,空气流量的下降对输出功率的影响,并不会马上表现出来,只有当空气流量进一步下降时,电池才会因内部电化学反应产生的热量无法被及时带走,使性能下降。

用1台风扇和2台风扇组成的系统,消耗的功率符合数量上的差别,即1台风扇消耗的功率是2台风扇所消耗的一半,而流速的变化并不符合这种数量上的差别,方案a最大空气流速为8.356 m/s,方案b最大空气流速为12.378 m/s。据Nernst方程和式(1)可知,系统的效率更多地取决于空气流通路径的设计及当它通过时空气升高的温度,而不是风扇转子的性能。

图5中,流速曲线与功率曲线相交的点,是电堆风扇系统流速与功耗的平衡点。

3种方案的平衡点数据见表1。

表1 3种风扇系统方案的平衡点数据T able 1 Equilibrium point data of 3 kinds of fan system scheme

应根据电池所需要的输出功率大小选择风扇系统。从表1可知,在小功率输出时,在流速和流量相差不大的情况下,方案c的功率消耗比方案a要大,由式(1)可知,冷却系统的效能ηC下降,因此方案a更合适电池小功率输出的情况;当电池需要大功率输出时,方案a可能会使空气流量过小,导致电池性能下降,因此选择方案b更合适。

4 结论

对单体电池电压的考察,不仅可检测单体电池电压分布的均匀性,判断电堆是否符合设计要求,也可在负载运行条件下通过某几只单体电池的电压,推断出机械性质或极化程度的优劣,对更好地改进和设计高性能电堆具有重要意义。

在阳极封闭式操作条件下,电池内部电化学反应生成的水会由于难以及时排出,而在某些单体电池的质子交换膜上集聚,产生“水淹”效应,造成电池性能的衰减,长时间运行,会使电池寿命缩短。

流过燃料电池阴极的空气流速和风扇系统功耗之间存在一个平衡,更高的流速可改善热交换的程度,但要增加风扇系统的功耗。应该根据燃料电池不同的性能要求和应用工况,对风扇系统进行综合选择,以达到输出性能和系统效率的优化。

通过建模、仿真、控制策略和实验,进一步改善PEMFC内部的水热管理、提高燃料电池性能、燃料利用率和系统整体效率是今后的研究方向。

[1]YI Bao-lian(衣宝廉).燃料电池——原理·技术·应用[M].Beijing(北京):Science Press(科学出版社),2005.20-33.

[2]Yongtaek L,Bosung K,Yongchan K.An experimental study on water transport through the membrane of a PEFC operating in the dead-end mode[J].Int J Hydrogen Energy,2009,34(18):7 768-7 779.

[3]Ciureanu M,Roberge R.Electrochemical impedance study of PEM fuel cells-experimental diagnosis and modeling of air cathodes[J].J Phys Chem B,2001,105(17):3 531-3 539.

[4]Choi W C,Hwang Y,Cha S W,et al.Experimental study on enhancing the fuel efficiency of an anodic dead-end mode polymer electrolyte membrane fuel cell by oscillating the hydrogen[J].Int J Hydrogen Energy,2010,35(22):12 469-12 479.

[5]James L,Andrew D.Fuel Cell System Explained(Second Edition)[M].Chichester:John Wiley&Sons,2003.22-24.

[6]O'Hayre R P,Cha S W,Colella W G,et al.Fuel Cell Fundamentals[M].New Jersey:John Wiley&Sons,2009.161-194.