空冷型质子交换膜燃料电池水热管理的研究现状

2022-04-26杨长幸赵润贤潘瑞昕胡鸣若

电源技术 2022年4期

杨长幸 ,赵润贤 ,潘瑞昕，胡鸣若

(1.中国汽车工程研究院股份有限公司检测事业部，重庆 401122；2.上海交通大学燃料电池研究所，上海 200240)

1 空冷型质子交换膜燃料电池概述

质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有工作温度低(通常不超过80 ℃)、功率密度高、响应速度快等优点[1-2]，已经被应用在汽车、热电联产等领域，是最有前景的一种燃料电池。

燃料电池在发生电化学反应的同时会产生废热，废热需要通过换热介质被及时带出，否则会破坏燃料电池的运行工况，从而使燃料电池的发电性能下降。对于质子交换膜燃料电池而言，目前采用冷却液对电堆进行散热的方式最为普遍，即所谓的液冷型PEMFC。但是，液冷型PEMFC 的系统结构复杂，需要各种辅助设备[3]，这包括空压机、增湿器、液体冷却回路及控温装置等。因此，这些辅助设备增加了系统的寄生功率和成本。为了简化燃料电池系统设计的复杂性、降低成本，阴极开放式结构的空冷型PEMFC[4]开始受到关注。由图1 可见，空冷型PEMFC 的阴极流场既是电化学反应的场所，又是冷却通道；与此同时，氢气不经增湿升温直接进入阳极流场。因此，空冷型PEMFC 系统无需复杂的辅助部件，从而降低了系统的成本、质量和体积。

图1 空冷型PEMFC 的结构示意图

由于空冷型PEMFC 系统具有简单轻便的优点，因此可以将其应用在一些总的输出功率要求不高，但对系统的整体质量和体积大小具有限制的领域。例如，英国的Intelligent Energy 公司[5]成功地将空冷型PEMFC 电堆应用在无人机上作为动力源，将无人机的续航能力提升至几小时，远高于搭载锂电池的无人机。

目前对于空冷型PEMFC 电堆的结构设计以及对于空冷型PEMFC 动力系统方面有比较多的理论和实验研究[6-8]，但是有一个重要的实验现象却没有得到足够的重视，该现象是：当空冷型PEMFC 电堆连续运行几个小时之后，其单电池的平均电压的下降速率可以达到几mV/h 这个数量级[9-11]。Hu 等[12]分析了这一现象，如图2所示。通过对电堆伏安曲线进行线性拟合，发现电堆总电压的下降速率为34.09 mV/h，即电堆中单电池的电压平均下降速率为0.852 mV/h。因此，空冷型电堆单电池电压下降的速率较之常规有增湿液冷型电堆单电池几mV/1 000 h～十几mV/1 000 h[13]的电压下降速率要大几百至上千倍。这一现象说明，空冷型PEMFC 的输出性能很不稳定，而电池的输出性能与其内部的水热管理关系密切。由此可见，优化空冷型PEMFC 的水热管理具有重要意义。

图2 空冷型PEMFC 电堆的电压-时间曲线[12]

基于此，本文将对于现有空冷型PEMFC 的水热管理研究进行论述和分析，在此基础上为该研究方向提出一些建设性的研究思路。

2 空冷型质子交换膜燃料电池水热管理的研究

由于空冷型PEMFC 是依靠强制对流空气散热的，而空气的比热容远小于液体(如液态水、乙二醇等)，因此，空冷型PEMFC 的散热能力较差[14]，在电池运行过程中有可能产生“过热”的现象。因此，相比于液冷型PEMFC，空冷型PEMFC的水热管理更复杂。2.1～2.3 节将介绍空冷型PEMFC 的热管理、水管理及其优化措施。

2.1 空冷型质子交换膜燃料电池的热管理研究

空冷型燃料电池的工作温度范围较大，一般从室温至70 ℃。温度过高或者过低都会造成空冷型PEMFC 性能的衰减，因此，Meyer 等[15]通过建立空冷型PEMFC 的“电-热特性图谱”，研究了温度与电压、电流密度之间的关系，该研究发现45 ℃是空冷型PEMFC 的最佳工作温度。Rosa 等[16]详细地考察了空气流量对空冷型PEMFC 性能的影响，其研究结果表明，随着空气流量的增大，电池性能会明显提升，这是因为电池温度随着空气流量增大而降低，从而缓解了质子交换膜的“干涸”现象。然而，上述研究工作是基于稳态的运行工况，而没有考虑电堆温度的瞬态响应特性。为此，Jian 等[17]对电堆施加阶跃负载，基于此研究了空冷型电堆的温度响应特性，并且详细分析了温度和电流密度对瞬态响应的影响。其结果表明，在初始阶段，局部温度是影响电堆热响应的关键因素；低电流密度时，温度的变化主要取决于膜的干湿性；当电堆功率逐渐接近额定功率的时候，温度上升的速率也变得更平稳了。以上研究定性地评估温度对电堆瞬态响应特性的影响，为了准确地测量空冷型PEMFC 的温度，Luo 等[18]使用一台热成像相机和60 个热电偶测量电池的温度，其测试结果显示，电堆温度变化的速率只与电堆电流变化的幅度有关，电堆电流变化幅度越大，电堆温度变化幅度越快；随着电流的增大，电堆内外之间的温差也显著增大；空气流动方向、电池内部的液态水分布也会影响温度的分布情况。这项研究直观、详细地分析了空冷型PEMFC 温度的动态特性，为其他空冷型PEMFC 热管理的研究提供了重要参考。此外，Meyer 等[19]采用基于印刷电路板(PCB)技术的电流和温度分布测量装置，揭示了空冷型PEMFC 电堆内部的电流密度和温度的分布情况。其研究发现，当电堆运行在低电流密度(460 mA/cm2)的时候，电堆最高温度出现在阳极入口和阴极出口的交叉区域；当电堆运行在高电流密度(930 mA/cm2)的时候，最高温度出现在电堆中间、靠近阴极出口的位置。

基于计算流体力学(CFD)，建立空冷型PEMFC 的数学模型，对电池内温度分布进行研究的方法也被广泛应用。Shahsavari 等[20]基于空冷型PEMFC 单电池的三维数值模型，分析其热传递的过程，并给出了电池内部的温度仿真分布图，见图3。其研究结果表明：双极板和空气进气之间的温差很大；相比于水冷型燃料电池，空冷型PEMFC 在气体流动方向上的温度梯度更大；最高温度点位于电池中间、靠近阴极出口的地方。该模型不仅能够用来指导空冷型PEMFC 冷却装置的设计，而且该模型还可以被扩展用于电堆的研究，因此后续很多研究是以该模型为基础分析并优化了空冷型PEMFC 传热特性的。Strahl 等[21]的仿真研究也发现了空冷型PEMFC 的温度梯度要远大于水冷型PEMFC。

图3 空冷型PEMFC单电池温度分布图[20]

上述仿真研究都是基于单电池展开的，与此同时，研究人员对于空冷型PEMFC 电堆的热管理方面也进行了更复杂的仿真研究。D'Souza 等[22]基于数值模型研究了由80 片单电池组成的空冷型PEMFC 电堆的温度场和空气速度场，其仿真结果表明，电堆中大约70%的单电池的温度分布规律是一致的；风扇与电堆之间的距离对电池散热的影响几乎可以忽略不计。Sasmito 等[23]建立了一个三维两相流模型，该模型的仿真区域既包含空冷型PEMFC 电堆也包括环境空气。结果表明：风扇的功率越大，电堆的性能越好，这是因为风扇功率变大增强了电池的散热能力；阴极流道高度越大，在相同的电流密度下电池的温度越低，电池的性能越好。空冷型PEMFC电堆利用风扇提供强制对流空气，因此风扇对电堆的性能以及热管理具有非常关键的作用，Sasmito 等[24]采用同一个模型进一步研究了风扇数量、风扇的型号对空冷型PEMFC 电堆的影响，其研究结果表明，采用离心式风扇的电堆比采用轴流式风扇的电堆的性能更好；电堆采用2 个30 W 的风扇比采用一个60 W 的风扇能提供更大的空气流量，因此，更有利于空冷型PEMFC 电堆的散热。阙海丹等[25]基于CFD 仿真软件Fluent 模拟并分析了空气“吸风”和“吹风”两种进气方式对空冷型PEMFC 电堆性能和散热能力的影响，其仿真结果表明，采用“吹风”的电堆的性能较差，这反映在电堆各个单电池之间的电压不均衡，其原因主要是：当空气是被“吹”进电堆的时候，个别单电池的空气流速明显低于其他单电池，因此，这几片单电池的散热效果较差，导致其性能降低。

2.2 空冷型质子交换膜燃料电池的水管理研究

水管理对燃料电池，特别是空冷型PEMFC 至关重要。这是因为：空冷型PEMFC 的运行工况非常特殊，即在电池阳极侧，干燥氢气不经增湿直接进入阳极进行电化学反应；在电池阴极侧，开放式的阴极流场使得进入电堆的空气湿度与环境大气的湿度时时相等。此外，为了维持空冷型PEMFC 的运行温度，其阴极侧的空气化学计量比会远远大于常规液冷型电堆的空气化学计量比(通常为2～4)，达到几十[15]至几百[20]的数量级。在如此低的阳极湿度、如此高的阴极化学计量比的操作条件下运行，按照常理推测电池内部不会有液态水产生，但是，当使用中子成像技术后，Meyer 等[26]观察到了空冷型PEMFC 内部的液态水随时间和空间的分布规律。其研究发现，当电池工作在500 mA/cm2的时候，阴极扩散层内部出现了明显的水淹现象；而当电流密度增大到670 mA/cm2，甚至在阳极扩散层也出现比较严重的水淹现象。该研究在空冷型PEMFC 领域具有重大意义，它首次揭示了空冷型PEMFC内部也会有比较严重的水淹现象存在。为了更准确地揭示空冷型PEMFC 的水传递过程，Fink 等[27]建立了三维两相流CFD模型，考察了一个5 片单电池组成的空冷型PEMFC 电堆中质子交换膜含水量、水的净通量以及催化层内水蒸气浓度的分布情况。其研究发现，阴极“筋”下方膜的含水量高于阴极流道下方，而且该含水量在氢气主流方向呈现周期性分布。这一现象与Zhao 等[28]的仿真研究结果相吻合，即空冷型PEMFC 的水淹现象主要出现在阴极“筋”下方；相邻的“流道”和“筋”下方的质子交换膜的含水量差异很大，基于该显著特征，可以获得一个重要的研究内容：即膜内部存在较大的周期性的机械应力，对于这一机械应力进一步深入分析，可以将膜中含水量分布的不均匀性与电池性能快速下降相关联，即，这可能是造成电池运行一段时间后性能快速下降的原因之一。

2.3 空冷型质子交换膜燃料电池水热管理的优化措施研究

通过优化流场结构或设计外部散热元件可以改善空冷型PEMFC 的水热管理，从而提升电池的性能和稳定性。例如，Baik 等[29-30]开发一种多孔结构(multi-hole structure，MHS)的新型双极板，即在双极板“筋”上面打孔，因此能让更多的空气通过这些小孔进入电池阴极，这不仅使氧气浓度分布更加均匀，而且相比于常规的空冷型PEMFC 双极板，多孔结构的双极板可以更好地排出液态水。因此，采用MHS 结构的空冷型PEMFC 电堆的性能以及单电池电压的均一性都比采用传统空冷型双极板的电堆性能更好。Lo'pez-Sabiro'n 等[31]基于一维模型，通过改变阴极流道尺寸来优化电池热管理。其研究发现：阴极流道越短，电堆需要的空气流量越大；较宽的阴极流道更有助于散热，但是，双极板和扩散层之间的接触面积也随之减少，导致欧姆阻抗增大。此外，Sasmito 等[32]提出一种“边缘冷却”的结构，即将散热翅片安装在空冷型PEMFC电堆的外侧，空气流经翅片的时候可以带走电堆中产生的热量，其冷却效果明显比不带翅片的电堆的冷却效果更好；此外，其研究结果还表明，翅片的长度对散热效果的影响比翅片的厚度的影响更大。Zhao 等[33]将蒸发室(vapor champer)嵌入空冷型PEMFC 电堆中，这种蒸发室是由两块厚度为0.2 mm 的铜板焊接在一起，其中采用烧结的铜粉形成毛细管结构，与一般的空冷型电堆相比，采用蒸发室的电堆的输出功率提升了10%；电堆内部的温度场分布更加均匀，温度梯度变得更小；蒸发室可以带走大约50%的废热。

上述空冷型PEMFC 水热管理的优化研究是基于单电池或者电堆的本体结构进行的，其设计思路主要是通过设计新型流场结构或者在空冷型PEMFC 电堆上使用新型冷却装置。而在实际应用中，电堆往往要和氢气瓶、风扇、控制电路等部件协同工作，因此，对燃料电池系统控制进行优化，有助于改善水热管理对输出性能的影响。Strahl 等[34]将模型和实验相结合，考察了温度对空冷型PEMFC 系统性能的影响，并设计了最优控制策略。其研究发现：电堆温度最依赖交换电流密度这一参数；与此同时他们提出了一种带局部PI 控制器的寻求极值的控制算法，通过该算法将电池温度调节至某个值从而获得电堆电压的最大值。Ou 等[35]以系统性能最优化为目标，提出了一种控制策略，可以将空气流量控制在某个最优值，该值可以保证空冷型PEMFC 系统输出最大的净功率，同时避免空冷型PEMFC 电堆过热和供气不足。Ou 等[36]进一步研究了空冷型PEMFC 系统的湿度控制和温度控制，设计了多输入多输出(multiple-input-multiple-output)模糊控制器，可以处理燃料电池水传输动力学的非线性和不确定性，对燃料电池温度的控制具有良好的性能，具体体现在控制反应速度快、温度波动小。此外，游志宇等[37]通过对实验数据的拟合，获得了电堆最佳工作温度的经验公式，在此基础上考察了几种控制方法对空冷型PEMFC 负载变化的响应特性。其研究发现：自适应模糊PID 温度控制在电堆温度控制和风扇控制等方面具有明显优势，其有利于提升空冷型PEMFC 的输出性能、延长电堆使用寿命。

3 结论

空冷型质子交换膜燃料电池结构紧凑、简单轻便，在无人机等小功率的应用场合具有广阔的前景。但是，空冷型PEMFC 长时间工作的稳定性远远不如传统的液冷型PEMFC，这是因为空冷型PEMFC 的水热管理更复杂。关于空冷型PEMFC 水热管理的研究，有以下四个重要结论：

(1)空气流量对空冷型PEMFC 的水热管理具有至关重要的作用。空气流量太小，电池会出现过热现象；空气太大，电池内部的水淹现象严重。因此，必须将空气流量控制在某一个合适的范围内；

(2)虽然相比于传统的液冷型PEMFC，空冷型PEMFC 的空气流量很大(计量比在几十～几百之间)，按照常理推测液态水会被高速流动的空气吹扫带走，但是研究发现电池的阴极仍然有明显的水淹现象，且水淹现象主要出现在阴极“筋”下方；

(3)可以通过优化流场的结构设计来改善电池散热、将膜的含水量保持在一定范围内、提高电池内部气体分布的均匀性；

(4) 通过优化控制算法来控制空冷型PEMFC 风扇的功率，使电池在最优工作温度点运行，从而可以使得系统的总效率达到最佳状态。

4 展望

目前关于空冷型PEMFC 热管理的研究相对较多，并已提出一些优化电堆散热的措施。但是，对于其水管理的研究相对滞后，以下是我们总结出的该领域的几个值得重点关注的研究方向：

(1)揭示空冷型PEMFC 内部液态水在阳极和阴极侧随时间的动态分布规律。虽然已经有研究人员分析了空冷型PEMFC 在稳定工作状态下的液态水分布情况，但是电池在实际运行的时候必然会经历启动、停机以及负载变化等复杂工况，从微观上揭示液态水的动态变化规律有利于从宏观上优化空冷型PEMFC 的动态特性；

(2) 分析空冷型PEMFC 稳态运行过程中，质子交换膜内部的应力分布情况。文献[29]的研究结论表明，空冷型PEMFC 稳定运行时，在阴极“筋”下方和在阴极“流道”下方的质子交换膜的含水量具有很大的差异。而膜含水的多少会造成膜的溶胀与收缩，因此很有必要揭示空冷型PEMFC 稳定运行过程中膜的应力分布情况，从而为优化质子交换膜、膜电极以及流场的设计提供指导；

(3) 探索阳极水淹造成空冷型PEMFC 的催化剂衰减机理。研究表明，电池阳极扩散层会出现液态水，液态水覆盖了部分阳极催化层区域，因此会在阳极催化层中产生局部缺氢的现象，在局部缺氢的区域内由于有从阴极通过膜扩散而来的氧气的存在，因此在阳极缺氢区域会发生氧气的还原反应，见式(1)；而与阳极缺氢区域相对应的阴极区域电位升高，阴极催化剂的碳载体发生氧化反应,见式(2)，从而使阴极催化剂发生腐蚀而失效，其原理如图4[38]所示。