不同供气模式下质子交换膜燃料电池实验研究

肖 燕，张 伟，崔垚鹏，贾秋红

(重庆理工大学 机械工程学院， 重庆 400054)

在人类社会可持续发展进程中，能源和环境问题始终扮演着重要的角色。“十三五规划”已将大力发展绿色能源、清洁能源纳入其中。高效利用风能、太阳能以及氢能源等清洁能源是今后一段时期能源发展的必然趋势。燃料电池系统是把燃料(氢气)和氧化剂(空气或者氧气)中的化学能通过电化学反应直接转化为电能的一种发电装置[1-2]。该转化过程通过电化学反应直接产生，不受热机卡诺循环的限制，能量转化率高，环境友好，因此备受关注，较之传统的发电系统具有不可比拟的优势。其中，质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)是燃料电池的一种，应用领域十分广阔。

通常情况下阴极开放式质子交换膜燃料电池[3-4]属于小功率电池堆，电池堆阴极结构开放且暴露在空气中，因而供气系统更加简单。电池增湿采用自增湿从而省去了外部加湿装置、冷却回路的设计。风扇作为阴极的供气系统的组成部件提供了电池化学反应的氧气，并且在气体交换流动过程中带走多余的水和热量。

针对质子交换膜燃料电池阴极供气系统对电池性能的影响，国内外学者做了大量的研究。文献[5]在动态建模过程中采用了微型气泵作为电池阴极供气辅助系统，指出了微型泵会造成阴极流道内微弱的负压。文献[6]论证了风机出口管道内存在负压现象，并且通过对风机建立数学模型证明了负压与风机出口空气流速有关。Choi 等[7]的实验中阴极供气系统采用强制对流型的风扇，解释了不同位置加装风扇对进气流量分布及电池温度的影响。 文献[8]对车用质子交换膜燃料电池堆的阴极进气系统进行了模拟，讨论了进出口气体压力差和进出口位置与个数对电池性能的影响，但缺少实验对模型的验证。Liu Ming-yi 等[9]对便携式 PEMFC系统进行性能测试，对影响系统性能的主要因素进行了研究，分析了“吸”模式下风扇高度对电池系统性能的影响，但没有与“吹”模式进行对比分析，并且文中并没有对风扇高度的概念进行严格的定义和提供参照依据。文献[3]在假定气体流动属于层流的前提下对风扇气体流速和温度分布的测量进行探讨，对风扇“吹”和“吸”进行了相关研究，得出了风扇流速分布和电堆表面温度分布情况，但没有对流道内部温度进行测量和研究。国内外许多文献对阴极开放式燃料电池供气系统进行了相关研究，发现整个阴极供气系统的整体效率影响电池的输出性能，因此对阴极风扇供气系统的实验研究具有重要的工程实用价值。

本文在前人研究的基础上，对实验室小功率阴极开放式 PEMFC 电堆开展了相关的实验研究。该实验对阴极不同供气模式下阴极端部和阴极流道内的温度分布进行了分析，对阴极流道进出口的空气流速分布情况进行了研究，提出通过风扇正反转来实现“吹”和“吸”的2种不同工况模式的耦合，以此优化电池的输出性能。

1 燃料电池的工作原理

质子交换膜燃料电池发电的实质是电解水的逆过程，氢气经过阳极入口进入电池流道经扩散层后到达催化层，在催化剂作用下氢气离解为H+和电子，电子经过外电路到达阴极而与此同时氢质子通过质子交换膜迁移到达阴极，此时电子、H+、O2三者在阴极催化层界面上反应生成水，这一过程中电子在外电路的不断迁移就形成了电流而供负载使用。电池的生成物只有水、热能、电能，所以应用质子交换膜燃料电池发电不会造成大气污染，更加环保。

图1中虚点画线方框内为开放式PEMFC阴极供气系统结构示意图，其由PEMFC电堆和阴极风扇系统组成。电池堆阳极氢气出口安装常闭防爆电磁阀与大气压相互隔离并定时排水、排气；阴极采用开放式结构，流道直接暴露在空气中。风扇的功能是实现空气在阴极流道中交换流动，为燃料电池提供反应所需的氧气，同时带走多余的热量和水。

2 燃料电池阴极供气系统参数设置

本实验使用的阴极开放式PEMFC电堆由11片电池串联组成。图2(a)为建立的电堆三维坐标，XOZ平面为电堆流道空气入口端，X1O1Z1平面为电堆流道空气出口端，沿OY方向为燃料电池阴极流道空气流动方向。单电池的结构(如图2(b)所示)是由2片石墨双极板和膜电极压制而成，质子交换膜为杜邦公司Nafion112型膜。双极板一面是封闭的平行阳极流场，另一面为开放式平行阴极流场。电堆相关尺寸参数见表1。

符号参数数值N单体数/片11A膜有效面积/cm221M电池质量/g500电池外形尺寸/mm100×45×55Va阳极流道体积/cm36.82Vc阴极流道体积/cm324.5

采用台达公司的AFB0812SH风扇作为供气设备。该风扇属于4线脉宽调制(PWM)滚珠轴流风扇，具有转速检测、正反转控制等功能，其相关参数见表2。实验过程要求风扇正转为“吹”模式工作；反转为“吸”模式工作；正反转为“吹”和“吸”耦合模式工作。

表2 风扇参数

氢气从高压气瓶中经过双极减压阀后经输气管道供给给电堆，氢气纯度为99.999%。电堆系统不对氢气进行循环利用，故电堆阳极出口封闭(dead-end)，通过常闭防爆电磁阀进行水、废气的排放。氢气进气压力30 kPa，实验过程保证环境温度为23 ℃，电子负载采用艾德克斯IT8511A可编程直流电子负载，加载方式设定为恒电压模式。

3 电池堆温度分布和空气流速的测试

3.1 电池堆温度分布的测试

电堆温度分布的测量实验采用多次多点测量的方法，通过针型热电阻探头对每片单电池温度和流道方向温度进行测量。如图2(a)所示，实验中XOZ局部坐标平面一侧加装风扇。① “吹”模式：XOZ平面为电堆流道空气入口、X1O1Z1平面为电堆流道空气出口；②“吸”模式：XOZ平面为电堆流道空气出口，X1O1Z1平面为电堆流道空气入口。在2种不同模式下加装于XOZ平面处的风扇采用正反转的方式实现。在X1O1Z1平面逐个测量11片电池流道内部温度，改变探头插入流道深度来完成沿Y方向(以XOZ平面为基准，Y轴方向为流道方向)温度的测量，完成燃料电池堆温度分布的研究。

燃料电池阴极单个流道的尺寸大小为 30 mm×1.2 mm×1.8 mm，实验采用11个直径Φ1 mm针型热电阻探头。考虑到XOZ平面加装风扇，因此在X1O1Z1平面内将11片单电池依次标记为A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K进行测量(如图3所示)。本实验传感器探头位置按图3均匀布置；阴极流道长度为30 mm，每5 mm设置1个点，共6个点，逐个进行流道温度测量。测量数据经过数据采集卡上传到上位机并显示在上位机界面，上位机采用labview编写设计。温度传感器选用K型针式热电阻WRNK-191温度传感器，数据采集卡选用研华USB-4711A。

图3 探头测量位置示意图

图4 “吹”和“吸”2种工作模式示意图

3.2 阴极流道空气流速测试

考虑到阴极流道体积较小、空气流速测量不方便，本研究通过分别在XOZ和X1O1Z1两平面的位置(也即在阴极端部位置)加装热敏风速探头测量空气流速来定性分析其变化趋势。本研究采用的风速传感器为华裕WS-100B，该传感器基于皮托管测速原理，输出485信号，量程为0～30 m/s，分辨率为0.1 m/s，变送器线性补偿和温度补偿均实现数字化。

“吹”和“吸”2种模式实验原理方法相同，改变风扇正反转即可实现，如图4(a)、4(b)所示。为了准确测量空气的流速，将电池流道进出口有效面积置于XY坐标系下，如图5所示。热敏风速探头分别沿着X轴、Y轴按给定距离移动，并将数据传输到上位机，记录数据。本实验给定距离为5 mm。

图5 电池流道进出口有效面坐标

4 不同供气模式下空气流速分布和温度分布

4.1 “吹”和“吸”不同模式下空气流速分布

在测量流道进出口处的流速大小分布过程中，将电堆流道进出口有效面积的中心位置流速记为0，流道边缘位置坐标见图5，流道平面Y方向每间隔5 mm测量1次，共测得13个位置点，实验结果如图6所示，其中：(a)和(b)分别为“吹”模式下风扇不同电压下的进口和出口空气流速大小分布曲线；(c)和(d)为“吸”模式下风扇不同电压下的出口和进口流道空气流速大小分布曲线。

从图6(a)和(b)可发现：风扇在“吹”模式下阴极流道进口处风速分布呈现“M”状且从流道边缘向中心靠近方向风速逐渐升高，在流道中心附近约7 mm处风速急剧下降后又继续攀升；出口处的流速分布则较为不规则，呈现“锯齿”，这一现象的原因是出口处存在负压区[5-6]，因而产生微弱的涡流，当空气从流道通过时由于涡流作用改变原有的速度方向，流道出口风速呈现不规则状态。

从图6(c)和(d)可发现：“吸”模式下阴极流道进口处的风速小于出口处的风速，流道出口处负压最大，因此其风速大于进口处风速，且出口处风速波动大于进口处风速波动。

综合分析图6可知：“吸”模式下阴极流道出口的空气流速波动较小，而“吹”模式下其空气流速波动较大，并且流道边缘到中心速度值相差较大。

图6 不同模式下的流速分布图

4.2 “吹”和“吸”不同模式下电堆的温度分析

实验中测得“吹”模式下方案1的温度值如图7所示。可见从流道进口到出口温度值呈递增趋势，主要是因为流道内空气速度递减，单位时间带走的热量减小。从电堆边缘到中心温度先降低后逐渐上升，并呈“W”分布，原因是风速分布呈“M”分布且边缘风和中心风速较小所以温度较高。电堆温度基本呈对称趋势分布但是在出口附近温度变化极不规则，是因为负压产生的“涡流”造成风速不规则而引起温度变化差别较大。实验测得方案2、方案3的温度值的变化趋势基本相同，在此不再进行说明。

实验测得的“吸”模式下方案1的温度值如图8所示，可见从流道进口沿着流道方向到出口处温度值呈递减趋势，因为流道内部风速递增且进口处的风速比出口处的风速小很多，所以单位时间散热量差异很大。从电堆边缘到电堆中心温度先降低后逐渐上升，呈“W”分布，是因为风速分布呈“M”分布且边缘风和中心风速较小，所以温度较高。

图7 “吹”模式下电堆温度分布

图8 “吸”模式下电堆温度分布

综上实验结果可见：“吹”模式下电堆沿流道方向的温度整体呈上升趋势，且出口温度高于进口温度；“吸”模式下进口温度高于出口处温度；“吹”和“吸”模式下电堆中心的温度明显高于周边温度。

本实验风扇的安装位置固定，“吹”和“吸”2种供气模式下阴极流道空气进出口方向相反。本文在此基础上提出应用风扇正反转耦合的供气模式均衡电池的散热来提高电池的性能。表3给出了单电池在0.6 V下的电池输出性能。图9给出了“吹”、“吸”和“吹和吸”耦合供气模式下电堆的温度分布。由图9可发现：“吹”模式下出口温度高于进口温度；“吸”模式下进口温度高于出口处温度；“吹和吸”耦合模式下进口出口处温度基本相等，且电堆平均温度较低，降温效果更好。

本实验中设定风扇正转“吹”和反转“吸”的时间为10 min，分析1 h内电池的性能。表5仅给出了单电池在0.6 V下的电池输出性能。该结果表明：供气风扇在“吸”模式下电池性能优于“吹”模式，“吹和吸”耦合模式下电池性能最优。

图9 “ 吹”和“吸”电堆进出口温度分布情况示意图

参数“吸”模式 “吹”模式“吹和吸”耦合风扇功率/W6.126.126.12电堆电压/V6.66.66.6单电池电压/V0.60.60.6电堆电流/A8.2377.4698.765电堆功率/W54.3649.3057.9电堆中心温度/℃47.847.346.3电堆边缘温度/℃46.547.245.7

5 结论

对阴极开放式PEMFC在“吹”、“吸”和“吹和吸”不同供气方式下阴极流道进出口的风速分布及电池堆的温度分布进行实验研究，并得到以下结论：

1) “吹”模式下，流道进口风速大小呈“M”型分布，出口风速受到“涡流”干扰分布不规则；“吸”模式下阴极流道进口风速小于出口风速，且进出口风速大小均呈“M”型分布。

2) “吹”模式下，沿着流道方向温度上升且在出口处温度因为受到“涡流”影响阻碍散热，来自流道前方温度的累积温度偏高，且温度分布呈“W”型；“吸”模式下温度沿着流道方向温度下降，温度分布呈“W”型；“吸”和“吹”模式下电堆温度分布和风速分布具有一致性。

3) 供气风扇在“吸”模式下电池性能优于“吹”模式，“吹和吸”耦合模式下电池性能最优。