不同供氣模式下質子交換膜燃料電池實驗研究

肖 燕，張 偉，崔垚鵬，賈秋紅

(重慶理工大學 機械工程學院， 重慶 400054)

在人類社會可持續發展進程中，能源和環境問題始終扮演著重要的角色。“十三五規劃”已將大力發展綠色能源、清潔能源納入其中。高效利用風能、太陽能以及氫能源等清潔能源是今后一段時期能源發展的必然趨勢。燃料電池系統是把燃料(氫氣)和氧化劑(空氣或者氧氣)中的化學能通過電化學反應直接轉化為電能的一種發電裝置[1-2]。該轉化過程通過電化學反應直接產生，不受熱機卡諾循環的限制，能量轉化率高，環境友好，因此備受關注，較之傳統的發電系統具有不可比擬的優勢。其中，質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)是燃料電池的一種，應用領域十分廣闊。

通常情況下陰極開放式質子交換膜燃料電池[3-4]屬于小功率電池堆，電池堆陰極結構開放且暴露在空氣中，因而供氣系統更加簡單。電池增濕采用自增濕從而省去了外部加濕裝置、冷卻回路的設計。風扇作為陰極的供氣系統的組成部件提供了電池化學反應的氧氣，并且在氣體交換流動過程中帶走多余的水和熱量。

針對質子交換膜燃料電池陰極供氣系統對電池性能的影響，國內外學者做了大量的研究。文獻[5]在動態建模過程中采用了微型氣泵作為電池陰極供氣輔助系統，指出了微型泵會造成陰極流道內微弱的負壓。文獻[6]論證了風機出口管道內存在負壓現象，并且通過對風機建立數學模型證明了負壓與風機出口空氣流速有關。Choi 等[7]的實驗中陰極供氣系統采用強制對流型的風扇，解釋了不同位置加裝風扇對進氣流量分布及電池溫度的影響。 文獻[8]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。Liu Ming-yi 等[9]對便攜式 PEMFC系統進行性能測試，對影響系統性能的主要因素進行了研究，分析了“吸”模式下風扇高度對電池系統性能的影響，但沒有與“吹”模式進行對比分析，并且文中并沒有對風扇高度的概念進行嚴格的定義和提供參照依據。文獻[3]在假定氣體流動屬于層流的前提下對風扇氣體流速和溫度分布的測量進行探討，對風扇“吹”和“吸”進行了相關研究，得出了風扇流速分布和電堆表面溫度分布情況，但沒有對流道內部溫度進行測量和研究。國內外許多文獻對陰極開放式燃料電池供氣系統進行了相關研究，發現整個陰極供氣系統的整體效率影響電池的輸出性能，因此對陰極風扇供氣系統的實驗研究具有重要的工程實用價值。

本文在前人研究的基礎上，對實驗室小功率陰極開放式 PEMFC 電堆開展了相關的實驗研究。該實驗對陰極不同供氣模式下陰極端部和陰極流道內的溫度分布進行了分析，對陰極流道進出口的空氣流速分布情況進行了研究，提出通過風扇正反轉來實現“吹”和“吸”的2種不同工況模式的耦合，以此優化電池的輸出性能。

1 燃料電池的工作原理

質子交換膜燃料電池發電的實質是電解水的逆過程，氫氣經過陽極入口進入電池流道經擴散層后到達催化層，在催化劑作用下氫氣離解為H+和電子，電子經過外電路到達陰極而與此同時氫質子通過質子交換膜遷移到達陰極，此時電子、H+、O2三者在陰極催化層界面上反應生成水，這一過程中電子在外電路的不斷遷移就形成了電流而供負載使用。電池的生成物只有水、熱能、電能，所以應用質子交換膜燃料電池發電不會造成大氣污染，更加環保。

圖1中虛點畫線方框內為開放式PEMFC陰極供氣系統結構示意圖，其由PEMFC電堆和陰極風扇系統組成。電池堆陽極氫氣出口安裝常閉防爆電磁閥與大氣壓相互隔離并定時排水、排氣；陰極采用開放式結構，流道直接暴露在空氣中。風扇的功能是實現空氣在陰極流道中交換流動，為燃料電池提供反應所需的氧氣，同時帶走多余的熱量和水。

2 燃料電池陰極供氣系統參數設置

本實驗使用的陰極開放式PEMFC電堆由11片電池串聯組成。圖2(a)為建立的電堆三維坐標，XOZ平面為電堆流道空氣入口端，X1O1Z1平面為電堆流道空氣出口端，沿OY方向為燃料電池陰極流道空氣流動方向。單電池的結構(如圖2(b)所示)是由2片石墨雙極板和膜電極壓制而成，質子交換膜為杜邦公司Nafion112型膜。雙極板一面是封閉的平行陽極流場，另一面為開放式平行陰極流場。電堆相關尺寸參數見表1。

符號參數數值N單體數/片11A膜有效面積/cm221M電池質量/g500電池外形尺寸/mm100×45×55Va陽極流道體積/cm36.82Vc陰極流道體積/cm324.5

采用臺達公司的AFB0812SH風扇作為供氣設備。該風扇屬于4線脈寬調制(PWM)滾珠軸流風扇，具有轉速檢測、正反轉控制等功能，其相關參數見表2。實驗過程要求風扇正轉為“吹”模式工作；反轉為“吸”模式工作；正反轉為“吹”和“吸”耦合模式工作。

表2 風扇參數

氫氣從高壓氣瓶中經過雙極減壓閥后經輸氣管道供給給電堆，氫氣純度為99.999%。電堆系統不對氫氣進行循環利用，故電堆陽極出口封閉(dead-end)，通過常閉防爆電磁閥進行水、廢氣的排放。氫氣進氣壓力30 kPa，實驗過程保證環境溫度為23 ℃，電子負載采用艾德克斯IT8511A可編程直流電子負載，加載方式設定為恒電壓模式。

3 電池堆溫度分布和空氣流速的測試

3.1 電池堆溫度分布的測試

電堆溫度分布的測量實驗采用多次多點測量的方法，通過針型熱電阻探頭對每片單電池溫度和流道方向溫度進行測量。如圖2(a)所示，實驗中XOZ局部坐標平面一側加裝風扇。① “吹”模式：XOZ平面為電堆流道空氣入口、X1O1Z1平面為電堆流道空氣出口；②“吸”模式：XOZ平面為電堆流道空氣出口，X1O1Z1平面為電堆流道空氣入口。在2種不同模式下加裝于XOZ平面處的風扇采用正反轉的方式實現。在X1O1Z1平面逐個測量11片電池流道內部溫度，改變探頭插入流道深度來完成沿Y方向(以XOZ平面為基準，Y軸方向為流道方向)溫度的測量，完成燃料電池堆溫度分布的研究。

燃料電池陰極單個流道的尺寸大小為 30 mm×1.2 mm×1.8 mm，實驗采用11個直徑Φ1 mm針型熱電阻探頭。考慮到XOZ平面加裝風扇，因此在X1O1Z1平面內將11片單電池依次標記為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K進行測量(如圖3所示)。本實驗傳感器探頭位置按圖3均勻布置；陰極流道長度為30 mm，每5 mm設置1個點，共6個點，逐個進行流道溫度測量。測量數據經過數據采集卡上傳到上位機并顯示在上位機界面，上位機采用labview編寫設計。溫度傳感器選用K型針式熱電阻WRNK-191溫度傳感器，數據采集卡選用研華USB-4711A。

圖3 探頭測量位置示意圖

圖4 “吹”和“吸”2種工作模式示意圖

3.2 陰極流道空氣流速測試

考慮到陰極流道體積較小、空氣流速測量不方便，本研究通過分別在XOZ和X1O1Z1兩平面的位置(也即在陰極端部位置)加裝熱敏風速探頭測量空氣流速來定性分析其變化趨勢。本研究采用的風速傳感器為華裕WS-100B，該傳感器基于皮托管測速原理，輸出485信號，量程為0～30 m/s，分辨率為0.1 m/s，變送器線性補償和溫度補償均實現數字化。

“吹”和“吸”2種模式實驗原理方法相同，改變風扇正反轉即可實現，如圖4(a)、4(b)所示。為了準確測量空氣的流速，將電池流道進出口有效面積置于XY坐標系下，如圖5所示。熱敏風速探頭分別沿著X軸、Y軸按給定距離移動，并將數據傳輸到上位機，記錄數據。本實驗給定距離為5 mm。

圖5 電池流道進出口有效面坐標

4 不同供氣模式下空氣流速分布和溫度分布

4.1 “吹”和“吸”不同模式下空氣流速分布

在測量流道進出口處的流速大小分布過程中，將電堆流道進出口有效面積的中心位置流速記為0，流道邊緣位置坐標見圖5，流道平面Y方向每間隔5 mm測量1次，共測得13個位置點，實驗結果如圖6所示，其中：(a)和(b)分別為“吹”模式下風扇不同電壓下的進口和出口空氣流速大小分布曲線；(c)和(d)為“吸”模式下風扇不同電壓下的出口和進口流道空氣流速大小分布曲線。

從圖6(a)和(b)可發現：風扇在“吹”模式下陰極流道進口處風速分布呈現“M”狀且從流道邊緣向中心靠近方向風速逐漸升高，在流道中心附近約7 mm處風速急劇下降后又繼續攀升；出口處的流速分布則較為不規則，呈現“鋸齒”，這一現象的原因是出口處存在負壓區[5-6]，因而產生微弱的渦流，當空氣從流道通過時由于渦流作用改變原有的速度方向，流道出口風速呈現不規則狀態。

從圖6(c)和(d)可發現：“吸”模式下陰極流道進口處的風速小于出口處的風速，流道出口處負壓最大，因此其風速大于進口處風速，且出口處風速波動大于進口處風速波動。

綜合分析圖6可知：“吸”模式下陰極流道出口的空氣流速波動較小，而“吹”模式下其空氣流速波動較大，并且流道邊緣到中心速度值相差較大。

圖6 不同模式下的流速分布圖

4.2 “吹”和“吸”不同模式下電堆的溫度分析

實驗中測得“吹”模式下方案1的溫度值如圖7所示。可見從流道進口到出口溫度值呈遞增趨勢，主要是因為流道內空氣速度遞減，單位時間帶走的熱量減小。從電堆邊緣到中心溫度先降低后逐漸上升，并呈“W”分布，原因是風速分布呈“M”分布且邊緣風和中心風速較小所以溫度較高。電堆溫度基本呈對稱趨勢分布但是在出口附近溫度變化極不規則，是因為負壓產生的“渦流”造成風速不規則而引起溫度變化差別較大。實驗測得方案2、方案3的溫度值的變化趨勢基本相同，在此不再進行說明。

實驗測得的“吸”模式下方案1的溫度值如圖8所示，可見從流道進口沿著流道方向到出口處溫度值呈遞減趨勢，因為流道內部風速遞增且進口處的風速比出口處的風速小很多，所以單位時間散熱量差異很大。從電堆邊緣到電堆中心溫度先降低后逐漸上升，呈“W”分布，是因為風速分布呈“M”分布且邊緣風和中心風速較小，所以溫度較高。

圖7 “吹”模式下電堆溫度分布

圖8 “吸”模式下電堆溫度分布

綜上實驗結果可見：“吹”模式下電堆沿流道方向的溫度整體呈上升趨勢，且出口溫度高于進口溫度；“吸”模式下進口溫度高于出口處溫度；“吹”和“吸”模式下電堆中心的溫度明顯高于周邊溫度。

本實驗風扇的安裝位置固定，“吹”和“吸”2種供氣模式下陰極流道空氣進出口方向相反。本文在此基礎上提出應用風扇正反轉耦合的供氣模式均衡電池的散熱來提高電池的性能。表3給出了單電池在0.6 V下的電池輸出性能。圖9給出了“吹”、“吸”和“吹和吸”耦合供氣模式下電堆的溫度分布。由圖9可發現：“吹”模式下出口溫度高于進口溫度；“吸”模式下進口溫度高于出口處溫度；“吹和吸”耦合模式下進口出口處溫度基本相等，且電堆平均溫度較低，降溫效果更好。

本實驗中設定風扇正轉“吹”和反轉“吸”的時間為10 min，分析1 h內電池的性能。表5僅給出了單電池在0.6 V下的電池輸出性能。該結果表明：供氣風扇在“吸”模式下電池性能優于“吹”模式，“吹和吸”耦合模式下電池性能最優。

圖9 “ 吹”和“吸”電堆進出口溫度分布情況示意圖

參數“吸”模式 “吹”模式“吹和吸”耦合風扇功率/W6.126.126.12電堆電壓/V6.66.66.6單電池電壓/V0.60.60.6電堆電流/A8.2377.4698.765電堆功率/W54.3649.3057.9電堆中心溫度/℃47.847.346.3電堆邊緣溫度/℃46.547.245.7

5 結論

對陰極開放式PEMFC在“吹”、“吸”和“吹和吸”不同供氣方式下陰極流道進出口的風速分布及電池堆的溫度分布進行實驗研究，并得到以下結論：

1) “吹”模式下，流道進口風速大小呈“M”型分布，出口風速受到“渦流”干擾分布不規則；“吸”模式下陰極流道進口風速小于出口風速，且進出口風速大小均呈“M”型分布。

2) “吹”模式下，沿著流道方向溫度上升且在出口處溫度因為受到“渦流”影響阻礙散熱，來自流道前方溫度的累積溫度偏高，且溫度分布呈“W”型；“吸”模式下溫度沿著流道方向溫度下降，溫度分布呈“W”型；“吸”和“吹”模式下電堆溫度分布和風速分布具有一致性。

3) 供氣風扇在“吸”模式下電池性能優于“吹”模式，“吹和吸”耦合模式下電池性能最優。