基于阴阳极不同冷却条件下的燃料电池性能研究

2020-10-26王旭蒋卓凡

专用汽车 2020年10期

王旭蒋卓凡

中汽研汽车检验中心（武汉）有限公司湖北武汉 430050

1 前言

燃料电池（Fuel Cell）是一种将燃料具有的化学能转变为电能的发电装置。其中质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell)因其噪音低、零污染、无腐蚀、寿命长、能量效率高、比功率高、可靠性及维修性好等诸多优点，成为当今各国研究发展并广泛应用的热点。燃料电池在运行期间所消耗的氧化剂（如：氧气）在自然环境中大量存在，并且获取成本较为低廉，储存容易；反应之后的产物以水为主，在保护环境上实现了真正的零污染、零排放。电池工作时，在电池外部供给燃料和氧化剂，电池进行反应，产生电能，原则上只要反应物持续输入，反应产物不断排出，燃料电池就能连续地发电。另外质子交换膜燃料电池的工作温度只有70～80 ℃，因此能量转换损失很小，且不会受到热力学中卡诺循环效率的限制，发电效率高达50%以上，能够广泛应用于汽车、船只及航空航天领域。相比于核能的危险性，太阳能的功率密度低，水力和风力受地形的限制，燃料电池的优势可谓得天独厚，因此备受瞩目。

质子交换膜燃料电池的性能受到诸多因素的影响，在电池的设计与性能提升过程中，电池的温度管理和水管理是必不可少的两大考虑因素。为了提高燃料电池的性能，需要将燃料电池的运行温度控制在一定的范围内，并尽可能地保持均匀，因此常常在燃料电池内部设计合适的冷却流道以提升电池的性能。针对此类问题，M. Ghasemi等人基于单电池设计了6种不同类型的冷却流道，用来模拟燃料电池运行时的产热及温度分布[1]。Keo等人通过一个三维数值模型对一个“之字形”流道的燃料电池的瞬态行为进行模拟研究，并对各种开孔率的电池性能进行对比[2]。

在燃料电池内部，电堆的产热以及冷却液的散热，这两者之间的平衡很容易影响到燃料电池的运行温度，同时也会影响到质子交换膜的脱水和浸水[3]。且燃料电池在实际使用过程中，由于温度的变化会降低电池性能从而缩短燃料电池的寿命。因此很有必要对燃料电池温度进行控制研究。对此，Huang Lianghui等人提出一个控制策略用来调节电堆温度[4]；Pei和Chen等人着重研究了质子交换膜燃料电池的寿命衰减，并发现燃料电池中的水管理和气体运输效率是需要被精确考量的因素，因为这些因素可能会导致当燃料电池处于负载条件下时，其电池效率会下降[5]。

另外，为了提升燃料电池的性能，人们开展了更多的研究工作，秦等人通过研究指出当燃料电池使用一个更加高效的压缩机时，电池内部存在着一个最佳的工作压力，且这个工作压力的值较没有使用压缩机时更高[6]。吴则针对质子交换膜燃料电池的二维及三维模型进行了一定介绍，并对气体流场、气体扩散层、催化剂层以及质子交换膜中的传输现象做了描述[7]。另外，为了提高燃料电池的运行特性，其指出更多的参数都应该在研究中被考虑进来，包括：非传统几何形状的流道中的液体流动、燃料电池瞬态运行过程、水解聚合物膜中的水传输、热管理、催化电化学反应机理、质子在高分子电解质中的传输。此外异质多孔材料中的物质扩散行为也是需要考量的重点。Ahluwalia RK指出提高质子交换膜燃料电池热管理系统冷却能力的传统方法是采用一个换热面积更大的散热器或者提高冷却液的流率[8]。

Wei-Mon Yan针对大功率自呼吸式的燃料电池，通过在阴极采用不同的冷却流道构型来研究其对燃料电池性能的影响，同时开展数值模拟研究，结果表明50%和58.3%开孔率的组合能够降低燃料电池电堆的运行温度，同时此条件下电堆的温度分布更加均匀[9]。Salva JAd针对各种运行条件（阴极化学计量、反应物相对湿度、电池的温度和压力）对质子交换膜燃料电池进行优化以达到最佳的运行特性[10]。Vasiliev, L研究了燃料电池内部的热管道类型对燃料电池性能的影响，研究指出微型或者迷你型的加热管道对10～100 W的燃料电池电堆的热管理控制更加有效；而回路型的加热管道、脉冲热管道以及吸附热管道则对具有更高输出功率的便携式质子交换膜燃料电池更加适用[11]。Nishiyama等人研究了气体扩散层的孔隙率和渗透率对燃料电池性能的影响[12]。

然而，综合分析发现，大多数研究内容并未细致考虑到电池内各区域的温度差异性，在对电池内部进行温度分布研究时，虽然知道阴阳两极的温度并不相同，但是在电池实际运行过程中，对阴阳两极采用的却是共用一个冷却水流道的方式，其冷却处理完全一样，如果结合阴阳两极温度的差异性，将阴阳两极的冷却流道各自独立开来，然后分别处以不同的冷却条件，那电池的性能是否会有所不一样，会不会得到进一步改善呢？本文结合阴阳两极温度的特异性，提出在阴阳两极相互独立冷却的基础上，研究不同温度和冷却控制条件下燃料电池的运行特性，并通过试验对此进行验证。

2 试验系统与试验方法

2.1 试验系统

2.1.1 电池测试系统

本次性能试验所采用的测试装置是加拿大某公司生产的HTS-125 Fuel Cell Station，它是一个集多种功能于一身的综合性试验平台，其组成结构主要包括：配气系统、加湿系统、加热系统、外接负载、监测系统以及控制软件等。其中配气系统可向电池提供纯度高达99.99%的氢气和氧气；加湿系统能满足燃料气体不同程度的加湿要求；加热系统可为电池预热，使其快速达到最佳温度工作条件；接入外接负载即可测得电池的对外输出特性；监测系统能够保证试验的安全进行，并进行相应的数据采集工作；控制软件可人为控制各种试验参数。

该系统的最大测试功率为12.5 kW，能够同时对多个参数进行精确控制，如：负载值大小、负载类型、燃料气体的流量及其加湿程度、电池温度及冷却水流量等。其中电池温度采用将热电偶元件置于电池内部的方式测得、气体流量及冷却水流量可通过相应的流量控制阀调节；软件操作界面十分友好，可直接在软件上进行电池电流、温度、压力的输入控制；同时该系统控制精确；控制范围也相对广泛，如电流加载范围为0～500 A，电压监测范围为-1.500～+1.500 V。总之，测试系统功能强大，能满足很多不同试验的需求。

2.1.2 电池参数

试验所用燃料电池是一个单片活性面积为20×10-4m2的单电池，其主要几何参数如表1所示，该电池的膜电极由某公司提供。

电池因为要实现异温冷却的试验条件，所以必须将阴极和阳极的冷却流道相互独立开来，同时还要保证阴阳两极采用的是同样的冷却流道形式。

表1 质子交换膜燃料电池几何参数

2.1.3 电池温度控制系统

由于温度是本次试验探究的重要参数，因此需要对电池内部的温度进行实时监控，这一点，可采用热电偶元件测得，另外，试验还需要对阴阳两极加以不同的温度控制条件，且需要一定的温度梯度，所以还需构建一个完善的电池温度控制系统。此系统最主要的功能是向电池提供试验所需特定温度的冷却水。

为了保证冷却水达到试验所需的各种温度，可采用数显恒温水浴锅对其进行加热；为了实现冷却水的循环流动，则可采用水泵，然后配以相应的软管进行连接，即可组成如图1所示的温度控制系统。由于要实现异温却冷的条件，故需要2套该系统。

该系统控制流程大致如下：首先完成好相应的设备连接，然后确定该阴极或阳极所需的试验温度，之后将冷却水置于水浴锅内，设置好水浴锅的加热温度，然后对其进行加热，待冷却水到达所需试验温度时，按下水泵开关，冷却水即流向电池，电池阴阳两极的冷却水均采用下进上出的形式，这样效果更佳，从电池上方流出的冷却水最后再经软管回到水浴锅内，形成整个循环。

图1 电池温度控制系统

整个过程中需要特别说明的是，试验所需的冷却水需要进行去离子化，这是为了避免水中含有的离子对试验产生干扰，另外整个控制过程中还需要以热电偶元件的测试温度为反馈进行相应的温度调节，从而保证温度恒定，而且随着电池反应的进行，会有更多的热量释放出来，电池温度也将越来越高，为了恢复到试验所需的温度，有时还需要借助风扇来进行一定的冷却。

2.2 试验方法

本次试验所用单电池与一般试验所用的单电池相比，结构上要略微复杂，需要进行相应改进。如图2所示，是该电池阳极流场的结构示意图（阴极结构也是如此）。流场板内开有4条冷却水流道，流道口均用卡套式管接头（已标数字）连接，并用胶粘剂进行密封，其中接头2与接头3之间、接头4与接头5之间、接头6与接头7之间分别用软管连接起来，经过温度处理的冷却水从接头1流入，依次经过它们，最终经接头8流出；燃料气体则从气体入口进入，参与电池反应，剩余气体从气体出口排出，返回大气。

图2 流场板结构示意图

试验之前需要将电池组装起来，电池的各组成顺序依次为阳极端板、阳极流场板、PTFE、碳纸、质子交换膜、碳纸、PTFE、阴极流场板、阴极端板。然后用螺杆及螺母对其进行固定，上螺母时要注意“依次交叉、对称拧紧”的原则，这样不仅可以使电池均匀受力，还可保证电池的密封性。组装电池时还要注意，碳纸与PTFE之间最好不要有重叠区域，不然会增加电池内阻，影响电池的性能，以碳纸刚好卡入PTFE为最佳。

电池组装完毕后，还需要对电池的密封性进行测试。测试方法大致如下：先将氮气管道接入电池进气入口，打开气体阀门，向电池通入氮气，调节流量控制阀到0.1 MPa，然后将气体出口处的软管暂时憋住，保证氮气不流出，之后将电池整个浸入水中，观察电池表面是否有气泡产生，如果没有气泡产生，则表明电池密封性良好，反之，则气密性不足。当出现气密性不足的情况时，需要对电池进行仔细检查，找出漏气原因及漏气部位，必要时，需要对电池进行重新制作。

气密性检查完毕之后，即可进行相关试验，将电池立于试验平台上，完成供气系统和负载的连接，打开水浴锅开关，设置阴阳极的试验温度，待温度达到试验要求，再打开水泵开关，即可对电池阴阳两极同时供入特定温度的冷却水，之后通过测试设备上对应的控制软件对电池进行配气和负载的控制，完成相应的性能测试工作。试验数据用可与试验软件配套的数据采集仪keithlet-2700记下，采集频率为5 s/次。试验所采用的温度如表2所示。

表2 试验温度明细

3 试验结果与讨论

3.1 不同阴极温度对电池性能的影响

图3 阳极温度30℃，阴极温度变化时的电池性能

图3为电池阳极温度固定为30 ℃，在不同压力条件下，阴极温度变化时的电池性能曲线。从图3中可以看出，随着阴极温度的上升，电池的性能在逐渐提高，其中阴极70 ℃时的电池性能要优于50 ℃的情况，同时50 ℃时的性能要比30 ℃的好。在3个不同压力试验中，电池的最佳性能均不是出现在阴阳同温条件下，而是始终出现在阴极温度最高的时候。

类似的规律同样出现在阳极温度固定为50 ℃和70 ℃的情况。

图4 阳极温度50 ℃，阴极温度变化时的电池性能

图4为当电池阳极固定为50 ℃，不同压力条件下，阴极温度变化时的电池性能图。3个阴极温度的相比情况是，70 ℃时的性能>30 ℃的性能>50 ℃的性能，同阳极温度为30 ℃的试验相比，图中虽然没有反映出电池性能与阴极温度成正比的关系，但是还是可以看出，电池在异温条件下的运行性能要优于同温时的情况，并且当阴极温度最高（70 ℃）时，电池的运行效果最佳。

图5 阳极温度70℃，阴极温度变化时的电池性能

图5为当电池阳极固定为70 ℃，不同压力条件下，阴极温度变化时的电池性能图。从图中可以看出，当阳极温度固定为70 ℃时，随着阴极温度的上升，电池的性能逐渐提高，并且随着电流的输入改变，这三者之间的性能差异越来越明显。在压力控制分别为0 Pa、30 kPa和60 kPa的试验条件下，从输出电压的反馈来看，均是当阴极温度最高的，电池拥有最佳的输出特性。

3.2 不同阳极温度对电池性能的影响

图6 阴极温度30℃，阳极温度变化时的电池性能

图6为当电池阴极固定为30℃，不同压力条件下，阳极温度变化时的电池性能图。从图中可以看出，电池在异温条件和同温条件下的运行时，其性能表现各有不同。在3个压力试验下，阴阳同温时的电池性能表现最差；而在异温条件时，通过对比阳极温度为50 ℃和70 ℃的情况，发现阳极50 ℃的电池性能比70 ℃的好，可见，在一定条件下，阳极温度的提高，并不利于电池的运行性能。

图7 阴极温度70 ℃，阳极温度变化时的电池性能

图7为当电池阴极固定为70 ℃，不同压力条件下，阳极温度变化时的电池性能图。图7(a)是在压强为0 Pa时测得的性能曲线，由图7可知，阳极温度为30 ℃的曲线一直在温度为50 ℃和70 ℃的曲线之上，表明在此温度下，电池具有最佳的表现性能，同样，阳极温度为50 ℃时的性能比70 ℃的好，3条曲线之间的对比大体反应出电池的性能随着阳极温度上升而降低的规律；图7(b)是在压强为30 kPa时测得的性能曲线，三条曲线的走势符合极化曲线的基本规律，虽然曲线之间有些错综交叉，但是还是可以看出，阳极温度最高（70 ℃）时的电池性能表现的反而最差；图(c)是在压强为60 kPa时测得的性能曲线，在此试验条件下，不同阳极温度的电池性能无明显差别。

3.3 不同异温条件对电池性能的影响

图8(a)为压强为0 Pa时，电池阴阳两极在加以不同异温处理条件下的电池性能曲线。试验中的异温条件共有6组，其温度分别为阳极70℃、阴极30℃；阳极70℃、阴极50℃；阳极50℃、阴极30℃；阳极30℃、阴极50 ℃；阳极50℃、阴极70℃；阳极30℃、阴极70℃，其中阳极温度是按逆向温度梯度设置，阴极温度则相反，按着正向温度梯度设置。在相同的电流输入控制下，不同温度条件下的输出电压不同，其代表的电池性能也有差异。

如图8所示，阳极30 ℃、阴极70 ℃所代表的性能曲线皆在所有曲线之上，而阳极50 ℃、阴极70 ℃的性能紧随其后，根据阴阳两极温度梯度设置的规律，笔者发现这个两组温度所代表的均是阳极温度较低，阴极温度较高的情况，而由其所反馈的输出电压，可以推断，在此情况下，电池具有较好的运行特性。

图8 不同异温条件的电池性能

同样在图8上，还可发现阳极70 ℃、阴极30 ℃所表示的曲线是在所有曲线之下的，这种“高阳极温度、低阴极温度”的情况下，电池的运行性能反而不好，这一点进一步验证了笔者刚才的结论。

图8(b)的温度设置条件与图8(a)的一致，只是将压力条件改变为了30 kPa。从图中所反应出来的曲线走势来看，还是阳极50 ℃、阴极70 ℃和阳极30 ℃、阴极70 ℃所代表的曲线性能最好，同样阳极70 ℃、阴极30 ℃所代表的曲线性能最差。图8(a)的结论同样适用。

图8(c)是在60 kPa压力条件下测得的性能曲线，电池性能表现较好的曲线依然是阳极50 ℃、阴极70 ℃和阳极30℃、阴极70 ℃的情况，说明“在较高的阴极温度和较低的阳极温度下，电池具有较好的性能表现”同样在此压力条件下成立。

3.4 压力对异温的影响

由图8可知，通过对6个异温试验条件的比较，笔者发现当阴极温度较高、阳极温度较低时，电池具有最佳的运行性能。这其中的典型代表是阳极50 ℃、阴极70 ℃和阳极30 ℃、阴极70 ℃的这两条曲线，但是在不同压力条件下进行分析时，这两条曲线的表现又略显不同，例如：当压力为0 Pa时，在整个电流改变的过程中，都是阳极30 ℃、阴极70 ℃的曲线在阳极50 ℃、阴极70 ℃之上的，然而当压力变为30 kPa和60 kPa的时候，却是两条曲线交错上升的变化规律，其中：在压力为30 kPa的时候，在电流为12 A之前，是阳极30 ℃、阴极70 ℃的曲线在阳极50 ℃、阴极70 ℃之上，然后在电流为12 A之后，却变为阳极30 ℃、阴极70 ℃的曲线在阳极50 ℃、阴极70 ℃之下；而在压力为60 kPa的时候，这一情况却提前出现了，交错变化时对应的电流大约是8 A。

通过30 kPa与60 kPa的曲线对比，笔者发现两条曲线交叉变化的相交点随着压力的变化而发生了前移，这证明压力是对异温条件有影响的。