空冷型PEMFC電堆陰極風扇系統實驗與模擬

卜慶元，李奇，陳維榮，陳冬浩，韓明

（1西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2淡馬錫理工學院工程學院，新加坡 529757）

空冷型PEMFC電堆陰極風扇系統實驗與模擬

卜慶元1,2，李奇1，陳維榮1，陳冬浩1,2，韓明2

（1西南交通大學電氣工程學院，四川 成都 610031；2淡馬錫理工學院工程學院，新加坡 529757）

風扇被用于空冷型PEMFC電堆的冷卻和氧氣的供應，空氣流速的大小和分布對于提高電堆輸出性能和內部溫度的均勻性非常關鍵，可以通過改變風扇的工作電壓（風扇工作在恒流模式）和風扇與PEMFC陰極入口的距離來調整。針對實驗室自制空冷型PEMFC電堆進行實驗來尋找風扇工作距離和工作電壓對于電堆性能的影響，并利用多元回歸擬合得到以電堆表面平均溫度為因變量，以風扇工作電壓和風扇工作距離為自變量的經驗公式。研究結果表明：當風扇工作距離大于或小于其最優工作距離時，電堆性能均會發生衰減；當風扇處于最優工作距離時，電堆表面溫度更加均勻，各單電池電壓均勻性得到提高，并且此時所需的最優風扇工作電壓更小。該研究對于提高空冷型PEMFC電堆輸出性能、增加電堆運行穩定性、提高電堆系統效率等具有重要的指導和參考價值。

燃料電池；流體力學；風扇系統；優化設計；實驗驗證

引 言

質子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）因其能量密度高、工作溫度低、能夠連續運行等特點而適用于汽車、便攜式電子產品和微機電系統（MEMS）等領域。研究質子交換膜燃料電池的特性，優化電堆結構，尋求有效的方法和控制策略改善其性能，提高其工作效率，具有非常重要的意義和實用價值，目前各國政府和企業正在投入大量資源進行相關研究，并取得了很多成果[1-7]。根據冷卻方式的不同，質子交換膜燃料電池可以分為循環水冷卻和空氣冷卻兩種，其中空冷型PEMFC因其結構簡單、自身能耗小（＜5%）[8]等特點在小型電源方面有著非常廣闊的應用。

目前廣泛使用的空冷型PEMFC是在陰極增加一個強制對流型的風扇系統，其風扇的放置對空氣的流量分布及電堆的溫度有重要的影響作用。因此，研究陰極風扇系統結構的優化對于提高整體工作效率和性能具有非常重要的意義和實用價值。

國內外學者針對水冷型PEMFC電堆陰極空氣系統的研究取得了很多成果[9-11]，但對于空冷型PEMFC陰極系統的研究存在很大不足。覃有為等[12]雖然對車用質子交換膜燃料電池堆的陰極進氣系統進行了模擬，討論了進出口氣體壓力差和進出口位置與個數對電池性能的影響，但缺少實驗對模型的驗證，同時此文獻所采用的陰極進氣系統并非嚴格意義上的陰極開放式，結果造成進口壓力不均勻，從而導致各單電池進氣量不均勻。劉明義等[13]對便攜式PEMFC系統進行性能測試，分析了影響系統性能的關鍵因素，其中分析了在“吸”模式下風扇高度對電池系統性能的影響，但沒有闡述采用“吸”模式的原因，對風扇高度概念的定義模糊，三個風扇高度的設定值沒有依據。文獻[14]通過對電堆的陽極入口氫氣壓力和風扇轉速的正交實驗，分析了上述控制量對電堆性能的影響，但是其在設計實驗時，沒有明確說明選取測量點的依據。朱星光等[15]研究分析了陰極風扇系統不同工作模式（“吹”和“吸”）對空氣流速分布、電堆溫度分布和輸出性能的影響，得出了風扇在“吸”模式下，燃料電池的表面工作溫度分布和空氣流速分布更均勻，但在相同風扇工作電壓時風速要明顯小于在“吹”模式下的風速等結論，但該文獻并未考慮到風扇不同工作距離對整個系統性能的影響。

另外，國內外許多文獻也對燃料電池溫度的測量進行了研究，其中使用較多的方法是用熱電偶對燃料電池上的一些被考察的特定點進行測量[16-19]，該方法的缺陷之一是它只對燃料電池特定部位的溫度進行測量，但無法掌握燃料電池表面的整體溫度分布情況。

本文針對百瓦級空冷型PEMFC電堆陰極風扇系統在“吹”模式下開展了相關研究，自主設計陰極風扇系統流道，并對風扇在不同工作距離和工作電壓下進行實驗。通過Fluke Ti25紅外熱像儀對電堆陰極出口側進行測溫來快速反映電堆散熱情況。借助于電子負載箱來控制電堆在恒電壓模式下工作，并自動記錄電堆輸出電流用于分析電堆輸出性能。該研究結果為空冷型PEMFC電堆結構的進一步設計優化奠定了良好的基礎。

1 理論分析

對于管道內流動的氣體，其Reynolds數[20]表達式為

在本實驗中，所采用管道等效直徑為0.04 m，風扇產生流速約為4～6 m·s?1，室溫常壓下空氣運動黏度為1.48×10?5m2·s?1，經計算可得其Reynolds數大約為10000～16000。對于管道中氣體流動來說，Reynolds數大于4000時可被稱為湍流狀態。

在湍流狀態中，流體質點做混雜的、無規則和隨機的非定常運動，它們在向下游流動的同時，不斷與鄰近的流體質點相互摻混，流體質點做無規則的橫向脈動，使其速度分布趨于均勻化，如圖1所示。

由于黏性摩擦的影響，流體在等截面直管中的流動也會產生沿程能量損失。在湍流流動中，由于流體質點的大量混雜運動，其阻力損失大大超過了層流的阻力損失。

圖1 管道中湍流完全發展示意圖Fig.1 Fully developed turbulent flow in circular straight pipe

對圖1所示水平管道的入口截面和出口截面進行分析，其沿程能量損失用沿程壓力損失表示為

式中，，由式（2）可以看出，對于湍流流動，沿程能量損失與速度的二次方和管長成正比。

2 實驗測試

2.1 燃料電池系統

本實驗使用的空冷型PEMFC電堆包含15片單電池，每片電池的活化面積為17 mm2，膜電極型號為DuPontTMMEA3，其在25 psi（pounds per square inch，1 psi=6.895 kPa）干燥環境下運行溫度可達80℃。陰極和陽極均采用平行流道設計，其中有效流道的長度、寬度、深度分別為72、1.5、0.8/0.3 mm（陽極深度為0.3 mm）。通過LHDA0533115H型電磁閥控制電堆陽極每10 s排氣一次，以避免陽極水淹對實驗結果造成干擾（實驗室之前實驗結果已經證實在該排氣周期下沒有水淹現象發生）。

實驗風扇采用DELTA公司的PFB0412EHN型葉片風機，其相關參數見表1。

表1 風扇相關參數Table 1 Parameters of fan

陽極氫氣由儲氣罐經輸氣管道供給，純度為99.99%，采用單端進氣方式，進氣壓力40 kPa，燃料電池所處環境溫度22℃。負載由KIKUSUI 1004 W型電子負載箱提供（可記錄U-t、I-t、P-t曲線）。陰極風扇工作電壓由直流穩壓電源供給，其工作電壓可調。

實驗中陰極風扇系統工作模式如圖2所示，其中風扇與電堆陰極入口距離可調。

圖2 陰極風扇系統工作模式Fig.2 Operating mode of cathode fan system

2.2 實驗方案

電堆在恒電壓(constant voltage，CV)模式下工作，控制電堆輸出電壓為10.5 V（單電池電壓0.7 V）。根據風扇和電堆之間距離的不同（1.5、3.5、5.5、7.5 cm）將實驗分為4組，每組實驗中風扇工作電壓分別為8、10、12 V（工作電流幾乎不變），以PEMFC電堆的輸出電流和電堆表面溫度作為研究對象來重點分析。

實驗過程中采用由美國Fluke公司生產的Ti25型紅外熱成像儀來快速準確獲取電堆整個表面的溫度分布信息，以便了解和推斷電池內部實際工作溫度情況。使用SmartView軟件可以分析所拍攝的溫度分布圖像并對其進行有效的管理。

3 實驗結果與分析

3.1 風扇工作距離和電壓對電堆輸出性能的影響

對于PEMFC電堆陰極風扇系統來說，不同風扇電壓直接關系到系統自身能耗的多少，而不同的工作距離又影響流道內氣流的分布，因此探究不同風扇工作距離和電壓對電堆的影響十分必要。圖3為電堆輸出電流平均值（穩定運行10 min）隨風扇工作距離和電壓的變化曲線。

由圖3（a）可知，風扇工作電壓一定時，電堆輸出電流隨風扇工作距離增加先提高后降低，當風扇工作電壓為8 V時，其輸出電流最高可提高約15%。此外，從圖中還可看出，在相同的工作電壓下電堆陰極風扇系統存在最優距離（約為5.5 cm）。同時，從圖3（b）中可以看出：對于不同的風扇工作距離，電堆的輸出電流隨風扇工作電壓增加變化的幅度不同，并且在相同的風扇工作電壓下，電堆輸出電流始終在風扇最優工作距離時最優。當風扇工作距離從1.5 cm增加至5.5 cm時，隨著風扇工作電壓從8 V升高至12 V，電堆輸出電流提高幅度依次為：5%，2%，0.02%。當風扇工作距離為7.5 cm時，雖然改變風扇工作電壓又能使電堆輸出電流明顯上升，但此時電堆輸出電流已明顯低于最優工作距離時的輸出電流。

圖3 風扇工作距離和電壓對輸出電流的影響Fig.3 Influence of working voltage and distance on output current

此外，在電堆工作過程中，各單電池的電壓和及其電壓差異值能從側面體現氣流的流量和分布，圖4為當風扇工作電壓為10 V時，在不同的風扇工作距離下各單電池的平均電壓值分布曲線。

從圖4中可以得出，隨著風扇工作距離的增大，各單電池電壓平均值的最大差異值分別為0.0222、0.0176、0.0161和0.0230 V，即當風扇工作在最優工作距離時氣流分布相對更均勻，有利于單電池電壓均勻性的提高。

圖4 風扇工作距離對電堆單電池電壓的影響Fig.4 Influence of working distance on unit cell voltage

以上現象出現的原因在于氣流在管道中的流動屬于充分發展的湍流流動。文獻[7]已經說明當風扇處于“吹”模式時，其空氣流速分布變化很大，靠近風扇中心和管道邊緣位置流速較低，大概在風扇中心與邊緣的中間處流速最大。對于充分發展的湍流流動來說，隨著管道長度的增加，管道中心流速“山谷”處氣體流速逐漸增加，周圍流速“山峰”處氣體流速逐漸減小，管道截面流速分布趨于均勻，使電堆輸出性能提高。然而隨著管道長度的繼續增加，流體在管道中的沿程能量損失不能忽視，由式(2)可知，沿程能量損失將導致管道內壓差的增加，進而引起管道內氣體流量的減少，造成電堆輸出性能的降低。當風扇工作距離小于最優工作距離時，管內湍流的充分發展相對于沿程損失起主要作用，隨著距離的增加，管內中心處“山谷”處的流速增大，四周“山峰”處的流速減小，流量分布更加均勻，進而使電堆輸出電流得到提高。另外風扇工作電壓的升高也將引起管道內流量的增加，使電堆輸出電流得到提高。當風扇工作距離大于最優距離時，管道內沿程損失發揮主要作用，造成管內壓差的增大，引起管內流量減少，從而導致電堆輸出電流降低。

3.2 風扇工作距離和電壓對電堆散熱的影響

在空冷型電堆工作過程中，電堆工作溫度與電堆工作電流、風扇轉速、風扇位置、陽極排氣間隔等因素密切相關，在本研究中，電堆工作在恒壓輸出模式，并將陽極排氣間隔設定為10 s，根據歷史實驗數據可知，在該排氣周期下，能夠維持輸出電流相對平穩，避免因排水不及時導致電堆輸出電流出現大幅波動。因而，該實驗能夠有效地單獨探究陰極風扇系統對電堆散熱性能的影響，尋找不同工作電壓和工作距離對于電堆散熱效果的規律。圖5為電堆達到穩態運行時（通過電子負載的上位機軟件可以觀察到輸出電流達到穩定，無明顯波動）表面平均溫度分別隨風扇工作距離和電壓的變化曲線。

圖5 風扇工作距離和電壓對電堆表面溫度的影響Fig.5 Influence of working distance and voltage on surface temperature of stack

從圖5（a）中可以看出，當風扇工作距離小于其最優工作距離（5.5 cm）時，電堆表面溫度隨風扇工作電壓的升高而升高，但隨著工作距離的增加，這種差異不斷減小。當風扇工作距離超過其最優工作距離之后，電堆表面平均溫度均明顯上升，但此時電堆表面溫度隨風扇工作電壓升高而降低。此外，從圖5（b）中可以看出，隨著風扇工作電壓從8 V增加至12 V：當風扇工作距離為1.5 cm時，電堆表面平均溫度上升了1.4℃；當風扇工作距離為3.5 cm時，電堆表面平均溫度上升了0.4℃；當風扇工作距離為5.5 cm（最優距離）時，電堆表面平均溫度先上升0.4℃后下降了0.2℃；當風扇工作為7.5 cm時，雖說電堆表面平均溫度下降了1.6℃，并且下降趨勢越來越明顯，但此時整體平均溫度已經明顯升高。

產生該問題的原因在于，當風扇工作電壓較低時（8 V），其產生的流量較小，此時隨著工作距離的增大，一方面管內湍流充分發展使流速分布均勻的作用不明顯，另一方面管內沿程損失使總流量減小，導致散熱效果變差，電堆表面平均溫度呈上升趨勢，但在其最優工作距離附近上升速度會有一定程度的減緩；當風扇工作電壓正常或者偏高時（10和12 V），隨著風扇工作距離的增加，湍流充分發展作用增強，電堆散熱效果變好，其表面溫度會有發生一定程度的降低，但是當風扇工作距離超過最優工作距離時，管內沿程損失發揮主導作用，造成溫度大幅上升，在此時增大風扇工作電壓會使管道內流量增加，在一定程度上也會提高電堆散熱性能。

圖6為當風扇工作電壓為10 V，風扇工作距離為1.5、3.5、5.5、7.5 cm時，通過SmartView軟件處理Fluke Ti25紅外熱成像儀采集到的電堆表面溫度圖像，得到的電堆對角線上的溫度分布曲線。

圖6 電堆表面溫度曲線Fig.6 Temperature curve of stack surface

從圖6中可以看出：隨著風扇工作距離的增加，電堆中心處的溫度有所下降，遠離電堆中心的位置溫度有所上升，整體趨勢向均勻化發展，但是當風扇工作距離超過其最優工作距離（5.5 cm）時，電堆表面整體溫度出現大幅度的上升，該變化趨勢進一步驗證了圖3～圖5的分析結果。

4 多元回歸擬合分析

通過以上分析可知，空冷型PEMFC陰極風扇系統的工作電壓和工作距離對電堆的性能有明顯的影響，并且存在耦合性，其主要通過影響氧化劑-空氣的分布以及流量來影響電堆的整體性能。由于電堆表面平均溫度可以從側面反映出流道內氣體的分布和流量，為探討其影響的規律性，本節從風扇工作電壓和工作距離共同對電堆表面平均溫度的影響角度進行分析。圖7為風扇不同工作電壓和距離下的電堆表面平均溫度曲面圖，其中圖7（b）為經過二次樣條插值之后的擬合曲面圖。

圖7 不同工作電壓和距離下電堆表面平均溫度Fig.7 Average temperature under different working voltage and distance

從圖7中可以看出，電堆表面平均溫度隨工作電壓和工作距離的變化而變化，并且總能找到對應關系，即流道內的空氣流量與風扇的工作電壓和工作距離存在一一對應關系。

利用圖7中的數據，以風扇工作電壓和工作距離為自變量，以電堆表面平均溫度Tave為因變量，經過擬合得出Tave關于風扇工作電壓和工作距離的經驗公式Tave=f(Vol,Dis)如式（3）所示

上述經驗公式是借助Matlab用多元回歸法擬合得出，其回歸系數β的估計值即為式（3）中的各項系數值，殘差r=[0 0.566 －0.716 0.150 －0.284 0.221 －0.421 0.484 －0.119 0.426 －0.076 －0.230]。該擬合公式的殘差圖如圖8所示。

從圖8殘差圖中可以看出，所有數據的殘差都接近于零點，且殘差的置信區間均包含零點，這就說明式（3）的回歸模型能很好地符合原始數據，該經驗公式具有很好的擬合效果。

圖8 式（3）殘差圖Fig.8 Residual plot of formula 3

5 結 論

對于空冷型PEMFC燃料電池系統來說，陰極風扇系統的工作模式對燃料電池表面工作溫度分布和輸出性能有著重要的影響。在現有的文獻之中雖然已經表明相對于“吹”模式，風扇在“吸”模式下空氣流速及流量分布更均勻，將更有利于燃料電池的內部電化學反應、對外散熱及熱平衡，但是實驗結果也證實了風扇在相同工作電壓下，產生的風速要明顯小于“吹”模式下的風速，這不利于提高系統的整體效率。本文從實驗的角度出發，借助于氣體在管路中的流動規律等理論知識，通過設置實驗分析了不同的風扇工作距離和工作電壓對于系統的影響，并利用多元回歸擬合得到電堆表面平均溫度隨風扇工作電壓和工作距離變化的經驗公式。在實驗的過程中借助于Fluke Ti25紅外熱像儀對電堆陰極出口表面進行實時測溫，而不是傳統的測量固定的點，其測量結果更可靠。經過分析發現，空冷型PEMFC在工作過程中，其風扇系統存在最優工作距離，當風扇工作距離大于或小于其最優工作距離時，電堆性能均會發生衰減，另外，當風扇處于最優工作距離時，電堆表面溫度更加均勻，電堆各單電池電壓均勻性得到提高，此時達到同樣散熱效果所需的最優風扇工作電壓更小，可以提升系統整體效率。本文得出的實驗結果可以為后續空冷型PEMFC系統的設計提供參考，對于提高空冷型電堆輸出性能、增加電堆運行穩定性、提高系統整體效率有很大的幫助。

符 號 說 明

Dis ——風扇工作距離，cm

d——管道直徑，m

g——重力加速度，m·s?2

l——管道長度，m

p1——管道入口截面壓強，Pa

p2——管道出口截面壓強，Pa

Re——Reynolds數

Tave——電堆表面平均溫度，℃

Vol ——風扇工作電壓，V

v——管道中平均流速，m·s?1

⊿——管壁粗糙度，mm

λ——壓力損失系數

μ——流體動力黏度，N·s·m?2

υ——運動黏度，m2·s?1

ρ——流體密度，kg·m?3

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Experimental and simulation of cathode fan system of air-cooling PEMFC

BU Qingyuan1,2, LI Qi1, CHEN Weirong1, CHEN Donghao1,2, HAN Ming2
(1School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,Sichuan,China;2Clean Energy Research Center,Temasek Polytechnic, 529757,Singapore)

Fans are used for cooling and feeding oxygen in air-cooling proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). For optimal performance, it is essential that the air is distributed as uniformly as possible and supplied sufficiently, which can be adjusted by varying the working distance and voltage of fans, in order to maintain temperature uniform (with the fan working in certain mode). Experiments were carried out for air cooling PEMFC, with the fan system working under the mode of “blowing”, to find the optimal distance. The temperature on the export side of cathode was measured to reflect the heat dissipation by Fluke Ti25 infrared thermal imager. The load box works under constant voltage mode and automatically records output current of stack, to evaluate the output performance. Moreover, an empirical formula is fitted according to the average temperature under different conditions, with working voltage and working distance as independent variables, and average temperature as the dependent variable. The results show that the performance of the stack declines when the fan is at a distance beyond or below the optimal value. At this optimal distance, the distribution of surface temperature is more uniform, the uniformity of unit cell voltage is better, and the required working voltage of fan system is less. Thiswork provides a guideline and serves as a reference to improve the performance of air-cooling PEMFC by increasing the stability and efficiency of the system.

fuel cell; fluid mechanics; fan system; optimal design; experimental validation

Prof. CHEN Weirong, wrchen@home.swjtu. edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150350

TM 911.4

：A

：0438—1157（2015）10—4211—07

2015-03-19收到初稿，2015-06-01收到修改稿。

聯系人：陳維榮。

：卜慶元（1990—），男，碩士研究生。

國家科技支撐計劃項目（2014BAG08B01）；國家自然科學基金項目（51177138，61473238，51407146）；四川省杰出青年基金項目（2015JQ0016）。

Received date: 2015-03-19.

Foundation item: supported by the National Key Technology R&D Program (2014BAG08B01), the National Natural Science Foundation of China (51177138, 61473238, 51407146) and the Sichuan Province Funds for Distinguished Young Scientists (2015JQ0016).