基于陰陽極不同冷卻條件下的燃料電池性能研究

王旭 蔣卓凡

中汽研汽車檢驗中心（武漢）有限公司 湖北武漢 430050

1 前言

燃料電池（Fuel Cell）是一種將燃料具有的化學能轉變為電能的發電裝置。其中質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell)因其噪音低、零污染、無腐蝕、壽命長、能量效率高、比功率高、可靠性及維修性好等諸多優點，成為當今各國研究發展并廣泛應用的熱點。燃料電池在運行期間所消耗的氧化劑（如：氧氣）在自然環境中大量存在，并且獲取成本較為低廉，儲存容易；反應之后的產物以水為主，在保護環境上實現了真正的零污染、零排放。電池工作時，在電池外部供給燃料和氧化劑，電池進行反應，產生電能，原則上只要反應物持續輸入，反應產物不斷排出，燃料電池就能連續地發電。另外質子交換膜燃料電池的工作溫度只有70～80 ℃，因此能量轉換損失很小，且不會受到熱力學中卡諾循環效率的限制，發電效率高達50%以上，能夠廣泛應用于汽車、船只及航空航天領域。相比于核能的危險性，太陽能的功率密度低，水力和風力受地形的限制，燃料電池的優勢可謂得天獨厚，因此備受矚目。

質子交換膜燃料電池的性能受到諸多因素的影響，在電池的設計與性能提升過程中，電池的溫度管理和水管理是必不可少的兩大考慮因素。為了提高燃料電池的性能，需要將燃料電池的運行溫度控制在一定的范圍內，并盡可能地保持均勻，因此常常在燃料電池內部設計合適的冷卻流道以提升電池的性能。針對此類問題，M. Ghasemi等人基于單電池設計了6種不同類型的冷卻流道，用來模擬燃料電池運行時的產熱及溫度分布[1]。Keo等人通過一個三維數值模型對一個“之字形”流道的燃料電池的瞬態行為進行模擬研究，并對各種開孔率的電池性能進行對比[2]。

在燃料電池內部，電堆的產熱以及冷卻液的散熱，這兩者之間的平衡很容易影響到燃料電池的運行溫度，同時也會影響到質子交換膜的脫水和浸水[3]。且燃料電池在實際使用過程中，由于溫度的變化會降低電池性能從而縮短燃料電池的壽命。因此很有必要對燃料電池溫度進行控制研究。對此，Huang Lianghui等人提出一個控制策略用來調節電堆溫度[4]；Pei和Chen等人著重研究了質子交換膜燃料電池的壽命衰減，并發現燃料電池中的水管理和氣體運輸效率是需要被精確考量的因素，因為這些因素可能會導致當燃料電池處于負載條件下時，其電池效率會下降[5]。

另外，為了提升燃料電池的性能，人們開展了更多的研究工作，秦等人通過研究指出當燃料電池使用一個更加高效的壓縮機時，電池內部存在著一個最佳的工作壓力，且這個工作壓力的值較沒有使用壓縮機時更高[6]。吳則針對質子交換膜燃料電池的二維及三維模型進行了一定介紹，并對氣體流場、氣體擴散層、催化劑層以及質子交換膜中的傳輸現象做了描述[7]。另外，為了提高燃料電池的運行特性，其指出更多的參數都應該在研究中被考慮進來，包括：非傳統幾何形狀的流道中的液體流動、燃料電池瞬態運行過程、水解聚合物膜中的水傳輸、熱管理、催化電化學反應機理、質子在高分子電解質中的傳輸。此外異質多孔材料中的物質擴散行為也是需要考量的重點。Ahluwalia RK指出提高質子交換膜燃料電池熱管理系統冷卻能力的傳統方法是采用一個換熱面積更大的散熱器或者提高冷卻液的流率[8]。

Wei-Mon Yan針對大功率自呼吸式的燃料電池，通過在陰極采用不同的冷卻流道構型來研究其對燃料電池性能的影響，同時開展數值模擬研究，結果表明50%和58.3%開孔率的組合能夠降低燃料電池電堆的運行溫度，同時此條件下電堆的溫度分布更加均勻[9]。Salva JAd針對各種運行條件（陰極化學計量、反應物相對濕度、電池的溫度和壓力）對質子交換膜燃料電池進行優化以達到最佳的運行特性[10]。Vasiliev, L研究了燃料電池內部的熱管道類型對燃料電池性能的影響，研究指出微型或者迷你型的加熱管道對10～100 W的燃料電池電堆的熱管理控制更加有效；而回路型的加熱管道、脈沖熱管道以及吸附熱管道則對具有更高輸出功率的便攜式質子交換膜燃料電池更加適用[11]。Nishiyama等人研究了氣體擴散層的孔隙率和滲透率對燃料電池性能的影響[12]。

然而，綜合分析發現，大多數研究內容并未細致考慮到電池內各區域的溫度差異性，在對電池內部進行溫度分布研究時，雖然知道陰陽兩極的溫度并不相同，但是在電池實際運行過程中，對陰陽兩極采用的卻是共用一個冷卻水流道的方式，其冷卻處理完全一樣，如果結合陰陽兩極溫度的差異性，將陰陽兩極的冷卻流道各自獨立開來，然后分別處以不同的冷卻條件，那電池的性能是否會有所不一樣，會不會得到進一步改善呢？本文結合陰陽兩極溫度的特異性，提出在陰陽兩極相互獨立冷卻的基礎上，研究不同溫度和冷卻控制條件下燃料電池的運行特性，并通過試驗對此進行驗證。

2 試驗系統與試驗方法

2.1 試驗系統

2.1.1 電池測試系統

本次性能試驗所采用的測試裝置是加拿大某公司生產的HTS-125 Fuel Cell Station，它是一個集多種功能于一身的綜合性試驗平臺，其組成結構主要包括：配氣系統、加濕系統、加熱系統、外接負載、監測系統以及控制軟件等。其中配氣系統可向電池提供純度高達99.99%的氫氣和氧氣；加濕系統能滿足燃料氣體不同程度的加濕要求；加熱系統可為電池預熱，使其快速達到最佳溫度工作條件；接入外接負載即可測得電池的對外輸出特性；監測系統能夠保證試驗的安全進行，并進行相應的數據采集工作；控制軟件可人為控制各種試驗參數。

該系統的最大測試功率為12.5 kW，能夠同時對多個參數進行精確控制，如：負載值大小、負載類型、燃料氣體的流量及其加濕程度、電池溫度及冷卻水流量等。其中電池溫度采用將熱電偶元件置于電池內部的方式測得、氣體流量及冷卻水流量可通過相應的流量控制閥調節；軟件操作界面十分友好，可直接在軟件上進行電池電流、溫度、壓力的輸入控制；同時該系統控制精確；控制范圍也相對廣泛，如電流加載范圍為0～500 A，電壓監測范圍為-1.500～+1.500 V。總之，測試系統功能強大，能滿足很多不同試驗的需求。

2.1.2 電池參數

試驗所用燃料電池是一個單片活性面積為20×10-4m2的單電池，其主要幾何參數如表1所示，該電池的膜電極由某公司提供。

電池因為要實現異溫冷卻的試驗條件，所以必須將陰極和陽極的冷卻流道相互獨立開來，同時還要保證陰陽兩極采用的是同樣的冷卻流道形式。

表1 質子交換膜燃料電池幾何參數

2.1.3 電池溫度控制系統

由于溫度是本次試驗探究的重要參數，因此需要對電池內部的溫度進行實時監控，這一點，可采用熱電偶元件測得，另外，試驗還需要對陰陽兩極加以不同的溫度控制條件，且需要一定的溫度梯度，所以還需構建一個完善的電池溫度控制系統。此系統最主要的功能是向電池提供試驗所需特定溫度的冷卻水。

為了保證冷卻水達到試驗所需的各種溫度，可采用數顯恒溫水浴鍋對其進行加熱；為了實現冷卻水的循環流動，則可采用水泵，然后配以相應的軟管進行連接，即可組成如圖1所示的溫度控制系統。由于要實現異溫卻冷的條件，故需要2套該系統。

該系統控制流程大致如下：首先完成好相應的設備連接，然后確定該陰極或陽極所需的試驗溫度，之后將冷卻水置于水浴鍋內，設置好水浴鍋的加熱溫度，然后對其進行加熱，待冷卻水到達所需試驗溫度時，按下水泵開關，冷卻水即流向電池，電池陰陽兩極的冷卻水均采用下進上出的形式，這樣效果更佳，從電池上方流出的冷卻水最后再經軟管回到水浴鍋內，形成整個循環。

圖1 電池溫度控制系統

整個過程中需要特別說明的是，試驗所需的冷卻水需要進行去離子化，這是為了避免水中含有的離子對試驗產生干擾，另外整個控制過程中還需要以熱電偶元件的測試溫度為反饋進行相應的溫度調節，從而保證溫度恒定，而且隨著電池反應的進行，會有更多的熱量釋放出來，電池溫度也將越來越高，為了恢復到試驗所需的溫度，有時還需要借助風扇來進行一定的冷卻。

2.2 試驗方法

本次試驗所用單電池與一般試驗所用的單電池相比，結構上要略微復雜，需要進行相應改進。如圖2所示，是該電池陽極流場的結構示意圖（陰極結構也是如此）。流場板內開有4條冷卻水流道，流道口均用卡套式管接頭（已標數字）連接，并用膠粘劑進行密封，其中接頭2與接頭3之間、接頭4與接頭5之間、接頭6與接頭7之間分別用軟管連接起來，經過溫度處理的冷卻水從接頭1流入，依次經過它們，最終經接頭8流出；燃料氣體則從氣體入口進入，參與電池反應，剩余氣體從氣體出口排出，返回大氣。

圖2 流場板結構示意圖

試驗之前需要將電池組裝起來，電池的各組成順序依次為陽極端板、陽極流場板、PTFE、碳紙、質子交換膜、碳紙、PTFE、陰極流場板、陰極端板。然后用螺桿及螺母對其進行固定，上螺母時要注意“依次交叉、對稱擰緊”的原則，這樣不僅可以使電池均勻受力，還可保證電池的密封性。組裝電池時還要注意，碳紙與PTFE之間最好不要有重疊區域，不然會增加電池內阻，影響電池的性能，以碳紙剛好卡入PTFE為最佳。

電池組裝完畢后，還需要對電池的密封性進行測試。測試方法大致如下：先將氮氣管道接入電池進氣入口，打開氣體閥門，向電池通入氮氣，調節流量控制閥到0.1 MPa，然后將氣體出口處的軟管暫時憋住，保證氮氣不流出，之后將電池整個浸入水中，觀察電池表面是否有氣泡產生，如果沒有氣泡產生，則表明電池密封性良好，反之，則氣密性不足。當出現氣密性不足的情況時，需要對電池進行仔細檢查，找出漏氣原因及漏氣部位，必要時，需要對電池進行重新制作。

氣密性檢查完畢之后，即可進行相關試驗，將電池立于試驗平臺上，完成供氣系統和負載的連接，打開水浴鍋開關，設置陰陽極的試驗溫度，待溫度達到試驗要求，再打開水泵開關，即可對電池陰陽兩極同時供入特定溫度的冷卻水，之后通過測試設備上對應的控制軟件對電池進行配氣和負載的控制，完成相應的性能測試工作。試驗數據用可與試驗軟件配套的數據采集儀keithlet-2700記下，采集頻率為5 s/次。試驗所采用的溫度如表2所示。

表2 試驗溫度明細

3 試驗結果與討論

3.1 不同陰極溫度對電池性能的影響

圖3 陽極溫度30℃，陰極溫度變化時的電池性能

圖3為電池陽極溫度固定為30 ℃，在不同壓力條件下，陰極溫度變化時的電池性能曲線。從圖3中可以看出，隨著陰極溫度的上升，電池的性能在逐漸提高，其中陰極70 ℃時的電池性能要優于50 ℃的情況，同時50 ℃時的性能要比30 ℃的好。在3個不同壓力試驗中，電池的最佳性能均不是出現在陰陽同溫條件下，而是始終出現在陰極溫度最高的時候。

類似的規律同樣出現在陽極溫度固定為50 ℃和70 ℃的情況。

圖4 陽極溫度50 ℃，陰極溫度變化時的電池性能

圖4為當電池陽極固定為50 ℃，不同壓力條件下，陰極溫度變化時的電池性能圖。3個陰極溫度的相比情況是，70 ℃時的性能>30 ℃的性能>50 ℃的性能，同陽極溫度為30 ℃的試驗相比，圖中雖然沒有反映出電池性能與陰極溫度成正比的關系，但是還是可以看出，電池在異溫條件下的運行性能要優于同溫時的情況，并且當陰極溫度最高（70 ℃）時，電池的運行效果最佳。

圖5 陽極溫度70℃，陰極溫度變化時的電池性能

圖5為當電池陽極固定為70 ℃，不同壓力條件下，陰極溫度變化時的電池性能圖。從圖中可以看出，當陽極溫度固定為70 ℃時，隨著陰極溫度的上升，電池的性能逐漸提高，并且隨著電流的輸入改變，這三者之間的性能差異越來越明顯。在壓力控制分別為0 Pa、30 kPa和60 kPa的試驗條件下，從輸出電壓的反饋來看，均是當陰極溫度最高的，電池擁有最佳的輸出特性。

3.2 不同陽極溫度對電池性能的影響

圖6 陰極溫度30℃，陽極溫度變化時的電池性能

圖6為當電池陰極固定為30℃，不同壓力條件下，陽極溫度變化時的電池性能圖。從圖中可以看出，電池在異溫條件和同溫條件下的運行時，其性能表現各有不同。在3個壓力試驗下，陰陽同溫時的電池性能表現最差；而在異溫條件時，通過對比陽極溫度為50 ℃和70 ℃的情況，發現陽極50 ℃的電池性能比70 ℃的好，可見，在一定條件下，陽極溫度的提高，并不利于電池的運行性能。

圖7 陰極溫度70 ℃，陽極溫度變化時的電池性能

圖7為當電池陰極固定為70 ℃，不同壓力條件下，陽極溫度變化時的電池性能圖。圖7(a)是在壓強為0 Pa時測得的性能曲線，由圖7可知，陽極溫度為30 ℃的曲線一直在溫度為50 ℃和70 ℃的曲線之上，表明在此溫度下，電池具有最佳的表現性能，同樣，陽極溫度為50 ℃時的性能比70 ℃的好，3條曲線之間的對比大體反應出電池的性能隨著陽極溫度上升而降低的規律；圖7(b)是在壓強為30 kPa時測得的性能曲線，三條曲線的走勢符合極化曲線的基本規律，雖然曲線之間有些錯綜交叉，但是還是可以看出，陽極溫度最高（70 ℃）時的電池性能表現的反而最差；圖(c)是在壓強為60 kPa時測得的性能曲線，在此試驗條件下，不同陽極溫度的電池性能無明顯差別。

3.3 不同異溫條件對電池性能的影響

圖8(a)為壓強為0 Pa時，電池陰陽兩極在加以不同異溫處理條件下的電池性能曲線。試驗中的異溫條件共有6組，其溫度分別為陽極70℃、陰極30℃；陽極70℃、陰極50℃；陽極50℃、陰極30℃；陽極30℃、陰極50 ℃；陽極50℃、陰極70℃；陽極30℃、陰極70℃，其中陽極溫度是按逆向溫度梯度設置，陰極溫度則相反，按著正向溫度梯度設置。在相同的電流輸入控制下，不同溫度條件下的輸出電壓不同，其代表的電池性能也有差異。

如圖8所示，陽極30 ℃、陰極70 ℃所代表的性能曲線皆在所有曲線之上，而陽極50 ℃、陰極70 ℃的性能緊隨其后，根據陰陽兩極溫度梯度設置的規律，筆者發現這個兩組溫度所代表的均是陽極溫度較低，陰極溫度較高的情況，而由其所反饋的輸出電壓，可以推斷，在此情況下，電池具有較好的運行特性。

圖8 不同異溫條件的電池性能

同樣在圖8上，還可發現陽極70 ℃、陰極30 ℃所表示的曲線是在所有曲線之下的，這種“高陽極溫度、低陰極溫度”的情況下，電池的運行性能反而不好，這一點進一步驗證了筆者剛才的結論。

圖8(b)的溫度設置條件與圖8(a)的一致，只是將壓力條件改變為了30 kPa。從圖中所反應出來的曲線走勢來看，還是陽極50 ℃、陰極70 ℃和陽極30 ℃、陰極70 ℃所代表的曲線性能最好，同樣陽極70 ℃、陰極30 ℃所代表的曲線性能最差。圖8(a)的結論同樣適用。

圖8(c)是在60 kPa壓力條件下測得的性能曲線，電池性能表現較好的曲線依然是陽極50 ℃、陰極70 ℃和陽極30℃、陰極70 ℃的情況，說明“在較高的陰極溫度和較低的陽極溫度下，電池具有較好的性能表現”同樣在此壓力條件下成立。

3.4 壓力對異溫的影響

由圖8可知，通過對6個異溫試驗條件的比較，筆者發現當陰極溫度較高、陽極溫度較低時，電池具有最佳的運行性能。這其中的典型代表是陽極50 ℃、陰極70 ℃和陽極30 ℃、陰極70 ℃的這兩條曲線，但是在不同壓力條件下進行分析時，這兩條曲線的表現又略顯不同，例如：當壓力為0 Pa時，在整個電流改變的過程中，都是陽極30 ℃、陰極70 ℃的曲線在陽極50 ℃、陰極70 ℃之上的，然而當壓力變為30 kPa和60 kPa的時候，卻是兩條曲線交錯上升的變化規律，其中：在壓力為30 kPa的時候，在電流為12 A之前，是陽極30 ℃、陰極70 ℃的曲線在陽極50 ℃、陰極70 ℃之上，然后在電流為12 A之后，卻變為陽極30 ℃、陰極70 ℃的曲線在陽極50 ℃、陰極70 ℃之下；而在壓力為60 kPa的時候，這一情況卻提前出現了，交錯變化時對應的電流大約是8 A。

通過30 kPa與60 kPa的曲線對比，筆者發現兩條曲線交叉變化的相交點隨著壓力的變化而發生了前移，這證明壓力是對異溫條件有影響的。

4 結語

本文對傳統質子交換膜燃料電池的結構進行改進，分別在電池的陽極端板和陰極端板設計出相互獨立的冷卻流道，并且建立相應的溫度控制系統，搭配試驗室所提供的測試平臺，研究了電池在陰陽兩極異溫條件下的運行性能，通過改變溫度及壓力的參數，發現電池在不同的異溫處理條件下，其性能表現各有不同。得出主要結論如下。

a. 改變陰極溫度。將電池陽極處的冷卻水溫度設定為某一固定值（如30 ℃、50 ℃、70 ℃），然后改變電池陰極區域冷卻水的溫度，研究電池在陰極溫度改變的條件下，其性能表現有何不同。發現：當陰極溫度較高時，電池具有較好的輸出特性。

b. 改變陽極溫度。將電池的陰極溫度設為定值，只改變陽極冷卻水的溫度，研究電池的性能隨陽極溫度變化的情況。結果表明：當陽極溫度較低時，電池運行特性較好。

c. 不同異溫條件對電池性能的影響。對電池陰極和陽極加以不同的冷卻處理溫度，設置出6組異溫的條件，研究電池在不同壓力條件下，這6組電池性能的差異。發現：陰極溫度較高，同時陽極溫度較低時的電池性能最好。

d. 壓力對異溫的影響。在對6組異溫條件下的電池性能曲線對比時，發現隨著壓力的增大，性能表現最好的兩條曲線的變化趨勢并非一層不變，而是出現了交替上升的形式，并且隨著壓力的增大，交錯點對應的電流發生了前移的現象，可見壓力對異溫時電池的性能具有一定的影響。