質子交換膜燃料電池的內部溫度分布

馮政恒，陳 濤，王澤英，陳金奇

(武漢理工大學機電工程學院，湖北 武漢 430070)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有污染小、功率密度高、啟動快速和工作溫度較低等特點，逐漸應用于交通運輸、熱電聯產等領域。PEMFC在運行過程中會產生大量的熱量，雖然適當的升溫可加快電化學反應速率、改善水傳輸狀況，提高電池的性能[1]，但過高的溫度會使質子交換膜脫水，電池的性能降低，甚至造成不可逆的破壞。實時監測內部溫度分布情況，對電池結構設計、穩定運行具有重要意義。

C.Y.Lee等[2]利用微機電系統(MEMS)制作技術，在厚度為40 μm的不銹鋼箔襯底上制作了體積小、易于安裝且靈敏度高的柔性微溫度傳感器，但會使活化面積減小，導致電池性能下降。Z.M.Wan等[3]在PEMFC的4只單體電池內部分別插入9個T型薄膜熱電偶，原位測量內部溫度分布，發現溫度分布會隨著電流密度的增加而惡化，單體電池內部溫差和電池之間的溫差都會增大。H.Y.Wang等[4]制造了一種用于測量燃料電池氣體擴散層(GDL)表面原位溫度的熒光式光纖傳感器，但形成的液態水或水滴在光纖和熒光粉之間的移動，會造成響應信號衰減，高濕條件下測量的溫度誤差較大。Q.F.Jian等[5]利用紅外成像儀和熱電偶對陰極開放式PEMFC電堆的內部溫度進行監測，發現空氣流量對溫度響應特征和溫度均勻性有一定影響。

光纖布拉格光柵(FBG)傳感器可以原位監測PEMFC電堆的溫度。本文作者利用FBG傳感器，對PEMFC電堆內部溫度進行原位監測，同時，在線測量不同工作條件下各單體電池內部的溫度分布情況，研究電流密度和陰極過量系數對PEMFC電堆內部溫度的影響。

1 理論分析

1.1 PEMFC溫度理論

PEMFC在運行過程中，約有40%～60%的能量耗散為熱量，主要包括：電池產生的不可逆電化學反應熱，歐姆極化產生的焦耳熱，水的蒸發和冷凝產生的焓變。

PEMFC的能量平衡如式(1)所示。

(1)

式(1)中：J為電流密度；A為有效活化面積；F為法拉第常數；Hfuel為燃料的熱值；ncell為電池的數量；Qgen為電化學反應產生的熱量；Ucell為單體電池的電壓。

PEMFC電堆運行過程中，Qgen可用式(2)進行估算：

Qgen=JAncell(Uocv-Ucell)

(2)

式(2)中：Uocv為電池的理論開路電壓。

為了衡量PEMFC內溫度分布的均勻性，定義溫度均勻性指數(IUT，CIUT)[6]：

(3)

1.2 FBG傳感器

FBG利用光纖材料的光敏性及光纖纖芯折射率的周期性變化，經過紫外線曝光后，在纖芯空間內形成相位光柵，實質是在纖芯內形成一個窄帶的濾光器或反射鏡，起到反射與投射的作用[7]。寬帶光源發出的光信號通過光纖傳入光纖光柵中，當外界環境(溫度、應力等)發生變化時，FBG產生軸向應變，進而導致光柵周期和折射率產生變化。FBG反射中心波長λc的計算公式見式(4)：

λc=2neffΛ

(4)

式(4)中：neff為光纖有效折射率；Λ為光柵周期。

當FBG處于無外力引起的應變的自然狀態時，對式(4)進行微分，可以得到溫度變化下λc的變化量Δλc，如式(5)所示：

(5)

式(5)中：α為熱光系數，表示溫度對折射率的影響；β為熱膨脹系數，表示溫度對光柵周期的影響。

同種光纖材料的α、β是相同的，因此，溫度引起的光纖λc變化只與溫度相關。對反射光進行解調，可獲得Δλc，繼而計算溫度的變化情況。

2 實驗

2.1 平臺

實驗研究對象為由3片五蛇流場結構(含5條流道的蛇形流場結構)的單體電池組成的小型電堆，結構如圖1所示。各部件的材料與相關幾何參數見表1。

圖1 PEMFC電堆結構圖Fig.1 Structure diagram of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack

表1 PEMFC電堆各部件材料與幾何參數Table 1 Materials and geometric parameters of components of PEMFC stack

流場板材料為euz3號等靜壓石墨(湖南產)。膜電極組件(MEA，湖北產)包括：質子交換膜，陰、陽極催化劑層，陰、陽極微孔層，以及陰、陽極氣體擴散層。以Pt/C為電催化劑，陰、陽極催化層中Pt載量分別為0.4 mg/cm2、0.1 mg/cm2；氣體擴散層由孔隙率為78%的多孔碳紙(湖北產)制成；在氣體擴散層與催化劑層之間，添加由聚四氟乙烯(PTFE)和碳粉以質量比4∶1制成的微孔層，以改善水和氣體的傳遞。

PEMFC電堆溫度在線監測平臺由硬件系統和軟件系統組成。硬件系統有PEMFC電堆、群翌HS-330S FC測試臺(臺灣省產)、光纖光柵傳感器(山東產)、OPM800光纖光柵解調儀(湖北產)、ZFXJ6824電壓巡檢儀(上海產)等；軟件系統包括PEMFC測試臺控制軟件和光性能監測軟件。

2.2 FBG傳感器的布置與標定

PEMFC內部放熱反應發生在MEA上，若在陽極側插入FBG，容易因氫氣泄漏發生危險，因此，將FBG傳感器(山東產)布置在陰極流場板的流道肩上，并與MEA直接接觸。基于流場板的設計，在流場板的24個流道肩上布置16根光纖，每根光纖上布置λc分別為1 535 nm、1 540 nm、1 545 nm或1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm，光柵柵距為5 mm、光柵中心距為15 mm的3個光柵。為避免FBG在PEMFC電堆裝配和加緊時承受應力，在流道肩上開有0.3 mm寬、0.3 mm深的凹槽；在光柵區域，凹槽加深至0.5 mm，以消除FBG與陰極流場板之間的熱傳導，確保FBG測量的數據能更準確地反映膜電極溫度。使用傳感器專用808硅橡膠(廣東產)對光纖進行單端固定并密封，靜置24 h以便完全固化。FBG的實際布置如圖2所示。為方便分析，按氣體入口到出口的順序，將3片單體電池排序為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；各單體電池內的FBG，自上到下、從左到右依次命名為FBG1～FBG48。

圖2 FBG傳感器布置示意圖Fig.2 Schematic diagram of fiber Bragg grating(FBG) sensor arrangement

使用恒溫水槽和5SRTC熱電偶(美國產)對FBG傳感器進行標定，將恒溫水槽溫度從30 ℃依次調整到90 ℃。待溫度穩定一段時間后，每隔5 ℃，記錄此刻FBG的λc和熱電偶溫度值。為避免實驗的偶然性，對每個FBG傳感器進行3次標定實驗。采用最小二乘法對溫度數據進行一元線性回歸分析，得到溫度θ與λc的關系為：

λc=k·θ+b

(6)

式(6)中：k為FBG傳感器對溫度的敏感度；b為擬合的截距常量。

2.3 方案

實驗方案設計如表2所示，其中，過量系數為實驗中提供的氣體流量與在該電流密度下化學反應需要的氣體流量之比，各組實驗均重復進行3次，以排除誤差。

表2 溫度在線監測實驗條件Table 2 Experiment conditions of on-line temperature moni-toring

為評估FBG傳感器的影響，需要對嵌入FBG傳感器前后電堆的性能進行測試。實驗前，將PEMFC電堆以實驗1的工作條件活化4 h，使電池發揮最佳性能。采用實驗1的條件對電池性能進行測試，電流密度從0加載至1.0 A/cm2，待電堆電壓穩定后，記錄數據。

為探究不同電流工況與不同陰極過量系數下PEMFC電堆內部的溫度分布，采用實驗2、3和4的方案，電流密度從0加載至1.0 A/cm2，每種電流密度下持續360 s，同時記錄各FBG傳感器波長值、各單體電池電壓和電堆表面溫度。

3 結果與討論

3.1 FBG傳感器標定結果

以單體電池Ⅱ為例，FBG1～FBG9的標定結果見表3。

表3 單體電池Ⅱ上FBG1～FBG9的標定結果Table 3 Calibration results of FBG1-FBG9 on cell Ⅱ

從表3可知，嵌入PEMFC電堆的各FBG傳感器λc與溫度的一元線性回歸擬合優度(R2)均大于0.999 6，表明FBG傳感器λc與溫度有較高的線性度，可使用λc計算各FBG傳感器附近的溫度。

3.2 嵌入光纖光柵傳感器對PEMFC電堆性能的影響

嵌入FBG傳感器前后，PEMFC電堆的電壓、功率如圖3所示。

圖3 嵌入FBG傳感器前后PEMFC性能對比Fig.3 Performance comparison of PEMFC before and after embedding FBG sensor

從圖3可知，在小于0.4 A/cm2的低電流密度下，嵌入FBG傳感器使電壓略有下降，電流密度為0.2 A/cm2時，電壓下降最大，下降幅度為1.8%；電流密度大于0.4 A/cm2時，嵌入FBG傳感器的電壓要大于未嵌入FBG傳感器時，電流密度為0.9 A/cm2時，電壓提升最大，幅度為5.5%。實驗結果表明：FBG傳感器的嵌入對PEMFC電堆性能的影響較小，可用于電堆內部溫度的監測。

3.3 不同電流密度下PEMFC內部溫度分布

由于內部FBG傳感器較多，選取各單體電池的主要溫度特征點進行分析。圖4、圖5為實驗2條件下各單體電池溫度及IUT隨時間和電流密度的變化曲線。

圖4 各單體電池的最高溫度、最低溫度、溫差變化曲線Fig.4 Maximum temperature，minimum temperature and temperature difference change curves of each cell

圖5 各單體電池的IUT變化曲線

Fig.5 Index of uniform temperature(IUT) variation curves of each cell

從圖4、5可知，電堆內各點的溫度隨著電流密度的增加和時間的延長均呈上升趨勢。PEMFC電堆初始時刻IUT較好，單體電池Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的膜內溫差分別為0.58 ℃、0.48 ℃和0.59 ℃，均小于1 ℃；IUT僅為0.09 ℃、0.08 ℃和0.08 ℃。隨著電流密度的增加和時間的延長，各單體電池溫度的均勻性逐漸變差，其中單體電池Ⅱ的變化最大，溫差從0.48 ℃增長到4.86 ℃、IUT從0.08 ℃增長到0.97 ℃。單體電池Ⅰ、Ⅲ的膜內溫差比較接近，電流密度為1.0 A/cm2時，最大溫差分別為3.32 ℃ 和3.59 ℃。在低電流密度下，電堆內部反應速度較慢，產生的熱量較少，因此溫度變化較小。電流密度從0增加到0.3 A/cm2，電堆內最高溫度上升1.65 ℃，最大溫差僅增長0.91 ℃。在中、高電流密度下，電堆內的電化學反應增強，熱量在電堆內聚集，溫度變化增大。電流密度從0.3 A/cm2增加到1.0 A/cm2，電堆內最高溫度由72.05 ℃增加到80.27 ℃，最低溫度由70.54 ℃增加到75.07 ℃，最大溫差由1.53 ℃增加到5.20 ℃。電堆表面溫度與內部溫度之差較大，最高溫度分別為73.6 ℃和80.27 ℃。這表明，基于表面溫度的溫度控制和設計方法具有局限性，不能真實反映電堆內部溫度。

3.4 陰極過量系數對PEMFC內部溫度分布的影響

電流密度為0.9 A/cm2、陰極過量系數為2.0時，各單體電池內部溫度分布示意圖見圖6。

圖6 陰極過量系數為2.0時各單體電池的溫度分布Fig.6 Temperature distribution of each cell with cathode excess factor of 2.0

從圖6可知，在電堆中，最高溫度位于單體電池Ⅱ的中間位置，為78.36 ℃；最大溫差、最大IUT同樣位于單體電池Ⅱ，分別為3.67 ℃和0.62 ℃。在各單體電池中，溫度均表現為由中間位置向兩側逐漸降低、進口溫度略高于出口溫度。這可能是因為：在產熱方面，電池中間位置溫度較高，催化劑活性較強，電化學反應較為強烈，產生的熱量較多；隨著反應的進行和氣體的流動，靠近出口位置流道內氧氣濃度和擴散至催化劑層表面的氧氣濃度降低，電化學反應速率變慢，產生的熱量減少。在散熱方面，在沒有通入冷卻液的條件下，電池中間位置與外部環境距離較遠，熱擴散能力較差。

陰極過量系數分別為2.0、2.5、3.0時，不同電流密度下PEMFC電堆內最高溫度、最大溫差、電壓和IUT情況見圖7，其中：α表示過量系數；θmax為電堆內最高溫度值；Δθ為電堆內最大溫差；U為電堆輸出電壓。

圖7 不同陰極過量系數下電堆溫度、電壓及IUT的變化Fig.7 Variation of stack temperature，voltage and IUT at dif-ferent cathode excess coefficients

從圖7可知，過量系數增加，流道內的空氣流量與流速相應升高，溫度相對較低的過量空氣可通過強制對流換熱，將膜電極和流場板內的熱量帶走。電堆內最高溫度和溫差均有大幅度下降。在1.0 A/cm2的電流密度下，過量系數從2.0提高到2.5，電堆內的溫差和IUT分別下降40.38%和28.10%，電壓提高0.14 V；陰極過量系數從2.5提高到3.0，溫差和IUT分別下降14.01%和15.60%，電壓僅提高0.02 V。

4 結論

本文作者以五蛇流場結構的小型PEMFC電堆為研究對象，將FBG傳感器嵌入電堆內部，搭建基于FBG傳感器的PEMFC內部溫度監測平臺并進行實驗。

嵌入FBG傳感器后，PEMFC電堆的性能未受明顯影響，說明FBG傳感器可用于PEMFC電堆內部溫度的原位監測。

同一工況下，PEMFC電堆各監測點溫度、各單體電池溫差和溫度均勻性指數IUT均隨電流密度的增加和時間的延長而增加。電堆內和單體電池的溫度均呈現出中間高、兩側低的趨勢。電堆內最高溫度出現在單體電池Ⅱ的中間位置，最低溫度出現在單體電池Ⅰ和單體電池Ⅲ的底部位置。在低電流密度下，各監測點溫度變化較小；在中高電流密度下，各監測點溫度、溫差和IUT均有明顯增長。

提高過量系數，流道內氧氣濃度和空氣流速提高，可將電化學反應產生的水和熱量及時帶出電堆。陰極過量系數從2.0提高到2.5，電堆內各單體電池溫度分布均有明顯改善，性能也得到提升。