空冷型PEMFC高海拔地區運行特性研究

苗宇航，邢 路，程文君，倪豪逸，涂正凱

(華中科技大學能源與動力工程學院，湖北武漢 430074)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)有著較低的工作溫度和較高的能量轉換效率，是最有前途的能量轉換裝置之一。空冷型PEMFC 主要應用在功率需求較小的場合，結構簡單，將進氣裝置與冷卻裝置合為一體，無增濕裝置和空氣壓縮機，依靠直流風扇提供氧氣同時為電池散熱，大大簡化了電池的結構，減輕設備的質量，在移動電源、無人機、熱電聯產等領域有著廣闊的應用前景[1-2]。

空冷型PEMFC 對外界環境的變化非常敏感，其性能與進氣量、工作溫度、操作壓力、流道結構等因素密切相關，通過增加操作壓力能夠顯著增加反應氣體濃度以及膜上的水含量，有助于提升PEMFC 的性能[3-5]。隨著海拔高度的上升，空氣含氧量及環境溫度同時降低，電池的輸出功率會明顯下降，影響電池的使用，分析空冷PEMFC 在高海拔地區的運行機理及性能影響因素具有重要意義[6]。

本文利用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics 建立空冷型PEMFC 單電池的三維模型，研究不同海拔高度下電池輸出特性，分析陰極過量系數(燃料電池陰極入口處空氣流量與化學反應消耗的理論氣體量之比)對電池性能的影響機制，為空冷PEMFC在高海拔地區的使用及性能優化提供參考。

1 電池結構及建模

1.1 模型結構

空冷型PEMFC 單電池模型由雙極板(BP)、陰極通道、陽極通道、氣體擴散層(GDL)、催化層(CL)、質子交換膜幾部分組成。本文所建立的單電池模型包括10 個陰極流道、5 個陽極流道，單電池幾何結構如圖1(a)所示，采用直流道、交叉流動的方式，圖1(b)為單個陰極流道的結構示意圖。

圖1 模型幾何結構

模型主要結構參數及物性參數如下：陽極通道高度6×10-4m，陽極通道寬度2×10-3m，陽極肋寬1.5×10-3m，陰極通道高度3×10-3m，陰極通道寬度1.5×10-3m，陰極肋寬1×10-3m，GDL 厚度4×10-4m，GDL 滲透性1×10-12m2，GDL 孔隙率0.5，CL 厚度1×10-5m，CL 滲透性1×10-12m2，CL 孔隙率0.4，質子交換膜厚度1.5×10-5m，膜電導率10 S/m，陽極參考交換電流密度1×104A/m2，陰極參考交換電流密度1A/m2。

1.2 模型控制方程及假設

質子交換膜燃料電池內部反應涉及到的主要方程包括質量守恒方程、動量守恒方程、組分守恒方程、Butler-Volmer方程以及能量守恒方程[7]。

為簡化模型便于計算，對模型做出如下假設：(1)反應氣體均為理想氣體；(2)流道內流體的流動均視為層流；(3)GDL和CL 為各向同性，每個方向都有相同的孔隙率和滲透率；(4)忽略重力影響；(5)電池運行狀態為穩態。

2 結果與討論

2.1 海拔高度對電池性能的影響

隨著海拔高度的上升，環境壓力及環境溫度同時發生變化，空冷型PEMFC 的性能受到操作壓力及進氣溫度的共同影響。由能斯特方程，燃料電池的電動勢E可表示為：

式中：E0為標準壓力和溫度下的理論電勢；R為氣體常數；F為法拉第常數；T為溫度；pH2、pO2及pH2O分別為氫氣、氧氣和水的分壓力。

電池在高海拔地區運行時，操作壓力下降使電池的理論電池降低，活化損失增大，工作溫度的下降使電池內部化學反應速率變慢，氣體擴散能力減弱。在壓力與溫度兩種因素的共同影響下，電池輸出功率出現明顯衰減。同緯度下海拔每升高1 000 m，環境溫度下降6 K，取海拔高度0 m 時的環境溫度為298.15 K，表1 給出了不同海拔高度下的環境參數。

表1 不同海拔高度下的環境參數

不同海拔高度下電池輸出性能曲線如圖2 所示，p為操作壓力，Tin為進氣溫度，陰極和陽極過量系數分別為100 和1.5。取電流密度600 mA/cm2時的輸出功率進行比較：海拔高度由0 上升至4 000 m，相同進氣溫度時電池的輸出比功率由0.301 W/cm2下降至0.271 W/cm2，性能衰減10%，如圖2(a)所示；進氣溫度降至所在海拔高度對應的環境溫度時，電池的輸出比功率下降至0.224 W/cm2，性能衰減25.5%，如圖2(b)所示。電池輸出性能隨海拔高度的上升而降低，且工作電流密度越大，功率衰減越嚴重。高海拔地區電池性能同時受到進氣溫度及操作壓力的較大限制，其中進氣溫度的變化對其輸出性能影響更大。

圖2 不同海拔高度下的電池性能曲線

2.2 陰極過量系數對電池性能的影響

海拔高度3 000 m、電流密度600 mA/cm2時，不同過量系數對應的陰極催化層表面氧濃度分布如圖3 所示，上側為空氣入口，右側為氫氣入口，操作壓力及進氣溫度分別為環境壓力及環境溫度。由模擬結果可知，過量系數為40、80、120、160 時，陰極催化層表面氧氣平均摩爾濃度分別為3.83、4.05、4.15、4.22 mol/m3，增大陰極過量系數使流道內的氧氣更易通過擴散作用向催化層擴散。

圖3 陰極CL表面氧氣摩爾濃度分布

催化層表面的氧氣平均摩爾濃度沿流道方向的變化如圖4 所示。靠近陰極入口處氧濃度最高，并沿陰極流道方向遞減，在陰極出口處達到最小值。增大過量系數能提升催化層表面反應物的濃度，同時使氧氣沿流道方向的分布更加均勻，保證靠近流道出口區域內電化學反應的進行。

圖4 沿陰極流道方向的氧濃度

不同海拔高度下，電流密度600 mA/cm2時電池輸出電壓與過量系數之間的關系如圖5 所示。在同一海拔高度下，電池的輸出電壓隨過量系數的增大而增大。海拔3 000 m 時，陰極過量系數由40 增大到160，電池輸出比功率由0.397 W/cm2增大到0.409 W/cm2，提升3.2%。主要原因是反應物濃度(分壓力)隨過量系數的增大而增大，由能斯特方程可知，氧分壓增大電池理論電動勢也隨之升高。同時，增大反應物濃度能夠提高反應速率，減小極化損失，從而提升電池輸出性能。但是，增大陰極過量系數的同時，風扇消耗的功率也隨之增大，在實際應用時應考慮到寄生功率對電池凈輸出功率的影響，將過量系數控制在適當范圍內。

圖5 過量系數對電池性能的影響

2.3 電池溫度分布特性

空冷型PEMFC 陰極進氣一方面用于提供反應所需的氧氣，另一方面要通過強制對流換熱帶走電池內部產生的熱量。海拔高度3 000 m、輸出電流密度600 mA/cm2時，不同陰極過量系數所對應的質子交換膜表面溫度情況如圖6 所示。隨著過量系數的增大，質子交換膜表面最高溫度從306.87 K下降到299.57 K，降低7.28 K，溫差由22.64 K 下降至15.9 K。最低溫度出現在電池陰極和陽極入口交匯處，最高溫度出現在陰極流道與陽極流道出口交匯處。增大陰極過量系數能夠強化電池內部的對流換熱，減小內部溫差，提升電池內部溫度均勻性。

圖6 過量系數對電池溫度的影響

電流密度的大小對電池內部溫度分布也有著重要的影響，海拔高度3 000 m 時，不同電流密度下質子交換膜上的溫度分布情況如圖7 所示。靠近陰極與陽極入口處膜表面溫度較低，沿流道方向溫度逐漸升高，這是由于氣體在流動的過程中不斷吸熱升溫，對流換熱能力逐漸減弱，膜表面溫度在陰極與陽極出口交匯處達到最大值。

圖7 不同電流密度下質子交換膜上的溫度分布

質子交換膜表面最高溫度及膜內溫差隨著電流密度的增大而增大。電流密度為500、600、700、800 mA/cm2時，質子交換膜上的溫差分別為14.78、17.52、20.24、22.95 K。電池工作在過高電流密度下時，質子交換膜表面溫度分布不均勻，內部可能會出現局部熱點，導致電池熱失衡，影響電池壽命，可以通過提高過量系數的方式強化對流換熱，保持內部溫度均勻性。

3 結論

(1)空冷型PEMFC 輸出性能隨著海拔高度的升高而明顯下降。海拔高度上升至4 000 m 時，電池在相同進氣溫度下的輸出比功率由0.301 W/cm2下降至0.271 W/cm2，性能衰減10%；進氣溫度降為所在海拔高度的環境溫度時，輸出比功率降至0.224 W/cm2，性能衰減25.5%，相比于操作壓力的改變，進氣溫度降低對電池性能的影響更大。

(2)高海拔環境下，通過增大過量系數可以提高電池催化層表面氧濃度，提升電池輸出性能。海拔高度3 000 m 時，過量系數由40 增大到160，電池輸出功率提高3.2%。同時，增大陰極過量系數能夠強化對流換熱，降低電池內部溫差，提高質子交換膜表面溫度均勻性。

(3)質子交換膜表面溫差隨電流密度的增大而增大。海拔高度3 000 m，電流密度從500 mA/cm2增大到800 mA/cm2時，膜表面溫差由14.78 K 上升至22.95 K。工作在過高的電流密度下可能會導致電池內部熱失衡，影響電池壽命。