朱星光,陳唐龍,韓 明

(1.西南交通大學(xué)電氣工程學(xué)院,四川成都 610031;2.淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心,新加坡 529757)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)的冷卻方法主要有兩種:陰極空氣冷卻法和水冷卻法。陰極空氣冷卻法又可分為空氣自然對(duì)流擴(kuò)散型和強(qiáng)迫對(duì)流型。選擇冷卻方法要依據(jù)不同的運(yùn)行條件和工況要求?？諝饫鋮s法更簡(jiǎn)單,但隨著電池的增大,很難保證將整個(gè)體系保持在同樣的溫度,冷卻空氣需要占用通道,使電堆體積遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際所需。泵入1 kg水比泵入1 kg空氣占用的孔道體積更小,而且冷卻效果更好。在實(shí)際的系統(tǒng)應(yīng)用中,影響冷卻方式選擇的一個(gè)重要原因在于“將產(chǎn)生的熱用于何處”。如果僅僅是排放到空氣中,就更傾向于空氣冷卻;如果該熱量可以循環(huán)利用,如在小型家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)中,使用水冷系統(tǒng)則更好,因?yàn)闊崃吭谒斜仍诳諝庵懈菀邹D(zhuǎn)移并得到應(yīng)用[1]。

有許多關(guān)于PEMFC的外部特性及內(nèi)部機(jī)理的研究。L.Yongtaek等[2]利用電荷耦合器件(CCD)相機(jī)對(duì)燃料電池內(nèi)部的流道進(jìn)行考察,研究了電池內(nèi)部的水交換情況,重點(diǎn)是水在質(zhì)子交換膜兩端的流動(dòng)和在陰陽(yáng)兩極的集聚,對(duì)燃料電池性能的影響。M.Ciureanu等[3]通過(guò)對(duì)燃料電池的阻抗響應(yīng)研究,提出了液態(tài)水在陰極的聚集是導(dǎo)致極限電流密度的主要原因。W.C.Choi等[4]研究證明:在一個(gè)排水周期內(nèi),水蒸氣會(huì)先形成水滴,隨著反應(yīng)的進(jìn)行最終形成連續(xù)的水流,積累在流道出口。如果采用風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行空氣冷卻,那么陰極的水很快就會(huì)被帶走。

1 原理分析

PEMFC電堆內(nèi)部進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng),氫氣在陽(yáng)極被離子化,釋放出電子并產(chǎn)生氫離子(質(zhì)子)。在陰極,氧氣結(jié)合電極上的電子和電解質(zhì)中的氫離子,形成水。

在PEMFC中,質(zhì)子交換膜的膜電阻與含水量密切相關(guān)[5]。為了保證膜的含水量維持在適宜的水平,通常需要對(duì)反應(yīng)氣體進(jìn)行增濕。對(duì)小型PEMFC系統(tǒng)而言,體積和緊湊性至關(guān)重要,輔助系統(tǒng)應(yīng)最大程度地簡(jiǎn)單化。為了除去增濕系統(tǒng),一個(gè)可行的方案是采用自增濕型質(zhì)子交換膜。這種膜即使在反應(yīng)氣不增濕的情況下,仍能達(dá)到較適宜的濕度[1]。

2 實(shí)驗(yàn)

實(shí)驗(yàn)用PEMFC電堆由淡馬錫理工學(xué)院清潔能源研究中心自制(見(jiàn)圖1),屬空氣冷卻強(qiáng)迫對(duì)流型,包含34只單體電池。單體電池由兩片金屬鋁雙極板中間夾膜電極“三合一”組件(M EA)構(gòu)成。雙極板的一面為封閉的陽(yáng)極流場(chǎng),使進(jìn)入電池的氫氣與大氣隔絕;另一面為開(kāi)放式陰極流場(chǎng),空氣可以流過(guò),為電池提供氧氣并起冷卻作用。

圖1 實(shí)驗(yàn)用PEMFC結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 The structure of PEMFC for experiment

圖2為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備連接結(jié)構(gòu)框圖。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)設(shè)備連接結(jié)構(gòu)框圖Fig.2 Structure diagram of experimental system

氫氣由儲(chǔ)氣庫(kù)經(jīng)輸氣管道供給。在PEMFC電堆后方安裝風(fēng)扇,以強(qiáng)迫空氣流過(guò)陰極。電堆陽(yáng)極氫氣的出口,裝有一個(gè)LHDA0533115H型電磁閥(Lee公司產(chǎn)),用來(lái)排氣。采用PLZ1004W型可編程電子負(fù)載(Kikusui公司產(chǎn))調(diào)節(jié)電池的輸出,功率最高可達(dá)1 000 W,電壓、電流變化范圍分別為 15～150 V和0～200 A,電子負(fù)載與電腦相連,可監(jiān)控、記錄電池的運(yùn)行參數(shù),同時(shí)顯示U-t、I-t、P-t曲線。用GPC-3030型直流電源(Instek公司產(chǎn))為控制電路板和風(fēng)扇供電。氫氣采用單端進(jìn)氣方式供應(yīng),入口的壓力為0.4×105Pa,實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度為22℃,空氣濕度為47.8%,外部電子負(fù)載工作在恒電壓(CV)模式。

3 結(jié)果與討論

3.1 電池電壓測(cè)試

進(jìn)行電池電壓測(cè)試時(shí),在電堆的后方平行安裝兩臺(tái)DC Brushless Model FFB0412UHN型直流風(fēng)扇(Delta公司產(chǎn))。

3.1.1 開(kāi)路單體電池電壓測(cè)試

單體電池的開(kāi)路電壓是電池性能的一項(xiàng)重要指標(biāo),通過(guò)這一數(shù)據(jù)可判斷電池的均勻性是否符合要求[5]。

開(kāi)路電壓測(cè)試的步驟為:通入氫氣→啟動(dòng)風(fēng)扇→陽(yáng)極排氣3次→待電池電壓穩(wěn)定→逐一測(cè)量單體電池的開(kāi)路電壓。

經(jīng)測(cè)定,電堆的開(kāi)路電壓為32.04 V,對(duì)應(yīng)的單體電池平均開(kāi)路電壓為0.937 V。

單體電池開(kāi)路電壓的分布見(jiàn)圖3。

圖3 單體電池開(kāi)路電壓的分布Fig.3 Open circuit voltage distribution of single cell

從圖3可知:單體電池的開(kāi)路電壓分布比較均勻,最高值、最低值分別為0.941 V和 0.932 V,最大偏差為0.009 V(0.96%)。第8號(hào)和第28號(hào)單體電池的電壓明顯低于其相鄰的兩只單體電池,是由于質(zhì)子交換膜中存在局部的微小熱點(diǎn)。靠近電池陽(yáng)極氫氣入口的單體電池,比遠(yuǎn)離陽(yáng)極的單體電池電壓略高。

燃料電池在運(yùn)行過(guò)程中,越靠近陽(yáng)極氫氣入口,氫氣所消耗的比例越小,而隨著電池內(nèi)部反應(yīng)的進(jìn)行,當(dāng)氫氣傳質(zhì)到出口時(shí),因?yàn)槿剂舷膶?dǎo)致氫氣濃度最低,氫氣分壓減小,而產(chǎn)物水的比例則逐漸增加。

根據(jù)能斯特(Nernst)方程[5]可知:氫氣分壓(PH2)減小而水蒸氣分壓(PH2O)增大,將使電動(dòng)勢(shì)下降,因此,靠近陽(yáng)極氫氣進(jìn)氣口的單體電池,電壓比遠(yuǎn)離氫氣進(jìn)氣口的單體電池略高。

3.1.2 不同負(fù)載單體電池電壓測(cè)試

分別為電堆加上不同的恒壓負(fù)載,得到每一只單體電池的電壓分布,結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 不同負(fù)載單體電池電壓分布Fig.4 Distribution of single cell voltage in different load

從圖4可知:隨著負(fù)載的增加(即負(fù)載電壓的降低),單體電池電壓的變化幅度越來(lái)越大,均勻性逐漸降低。由于對(duì)外輸出功率的提高,電壓降低、電流增大,電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水逐漸增多,不能及時(shí)排出,集聚在個(gè)別單體電池的質(zhì)子交換膜中,產(chǎn)生“水淹”現(xiàn)象,使電流密度下降,反映在單體電池電壓分布上,就是整體均勻性的降低。

某只單體電池電壓在不同的負(fù)載條件下會(huì)出現(xiàn)相同的性質(zhì),如第10和第18只單體電池,均表現(xiàn)出了偏高的電壓特性,而第11、19和31只單體電池則表現(xiàn)出了偏低的電壓特性,在較大的電流條件下,觀察到單體電池的電壓分布規(guī)律相近,可推斷該電堆的這些單體電池具有相似的性質(zhì)。這對(duì)于定位性能欠佳的單體電池位置并進(jìn)行改進(jìn)和提高,具有重要的意義。

3.2 風(fēng)扇系統(tǒng)流速與損耗平衡分析

燃料電池所使用的風(fēng)扇系統(tǒng)是一種離心式鼓風(fēng)機(jī),主要有“前曲式”和“后曲式”兩種類型。它們的名稱與葉片的設(shè)計(jì)有關(guān),兩種葉片的方向是相反的,前曲式葉片有更高的空氣吞吐量,但背壓低;后曲式葉片適合較高的壓力環(huán)境,但流速低。本文作者選擇的3種不同的風(fēng)扇,全部都是“前曲式”葉片。

定義一個(gè)冷卻系統(tǒng)的效能(ηC)如下[5]:

式(1)中:Hout是熱量移出的比速,Pcon是風(fēng)扇系統(tǒng)消耗的功率。

從實(shí)驗(yàn)可知,在風(fēng)扇系統(tǒng)中空氣的流速和消耗的功率間存在著一個(gè)平衡,更高的流速可改善熱交換的程度,但要增加風(fēng)扇系統(tǒng)的功率消耗。這個(gè)平衡既可保證電池性能符合設(shè)計(jì)運(yùn)行要求,又可起到散熱冷卻的作用,保證電堆運(yùn)行安全,延長(zhǎng)電堆使用壽命。

為了研究風(fēng)扇系統(tǒng)的流速與功耗的平衡,測(cè)量了各風(fēng)扇系統(tǒng)在不同電壓下通過(guò)燃料電池陰極的空氣流速、流量。3種風(fēng)扇系統(tǒng)為:方案 a,1臺(tái)DC Brushless Model FFB0412UHN風(fēng)扇;方案b,2臺(tái)首尾相接方式組裝的DC Brushless Model FFB0412UHN風(fēng)扇;方案c,1臺(tái)San Ace40 9CRA0412P4J03風(fēng)扇(Sanyo Denki公司產(chǎn))。實(shí)驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 不同風(fēng)扇系統(tǒng)不同電壓下流速、流量和功率曲線Fig.5 Curves of wind speed,volume flow and power in different operation voltage of different fan system

從圖5可知:隨著風(fēng)扇系統(tǒng)電壓的下降,產(chǎn)生的通過(guò)燃料電池陰極的空氣流速和流量會(huì)下降,電堆的輸出功率也隨之下降,但速度不同。

流速和流量的下降比電堆輸出功率的下降更快,原因在于當(dāng)風(fēng)扇電壓減小時(shí),除去風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)力減小導(dǎo)致的流速下降,流過(guò)陰極的空氣中的氧氣在電池內(nèi)部被消耗,也會(huì)使流速和流量下降,而電堆的輸出功率帶有一定的滯后性,空氣流量的下降對(duì)輸出功率的影響,并不會(huì)馬上表現(xiàn)出來(lái),只有當(dāng)空氣流量進(jìn)一步下降時(shí),電池才會(huì)因內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量無(wú)法被及時(shí)帶走,使性能下降。

用1臺(tái)風(fēng)扇和2臺(tái)風(fēng)扇組成的系統(tǒng),消耗的功率符合數(shù)量上的差別,即1臺(tái)風(fēng)扇消耗的功率是2臺(tái)風(fēng)扇所消耗的一半,而流速的變化并不符合這種數(shù)量上的差別,方案a最大空氣流速為8.356 m/s,方案b最大空氣流速為12.378 m/s。據(jù)Nernst方程和式(1)可知,系統(tǒng)的效率更多地取決于空氣流通路徑的設(shè)計(jì)及當(dāng)它通過(guò)時(shí)空氣升高的溫度,而不是風(fēng)扇轉(zhuǎn)子的性能。

圖5中,流速曲線與功率曲線相交的點(diǎn),是電堆風(fēng)扇系統(tǒng)流速與功耗的平衡點(diǎn)。

3種方案的平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 3種風(fēng)扇系統(tǒng)方案的平衡點(diǎn)數(shù)據(jù)T able 1 Equilibrium point data of 3 kinds of fan system scheme

應(yīng)根據(jù)電池所需要的輸出功率大小選擇風(fēng)扇系統(tǒng)。從表1可知,在小功率輸出時(shí),在流速和流量相差不大的情況下,方案c的功率消耗比方案a要大,由式(1)可知,冷卻系統(tǒng)的效能ηC下降,因此方案a更合適電池小功率輸出的情況;當(dāng)電池需要大功率輸出時(shí),方案a可能會(huì)使空氣流量過(guò)小,導(dǎo)致電池性能下降,因此選擇方案b更合適。

4 結(jié)論

對(duì)單體電池電壓的考察,不僅可檢測(cè)單體電池電壓分布的均勻性,判斷電堆是否符合設(shè)計(jì)要求,也可在負(fù)載運(yùn)行條件下通過(guò)某幾只單體電池的電壓,推斷出機(jī)械性質(zhì)或極化程度的優(yōu)劣,對(duì)更好地改進(jìn)和設(shè)計(jì)高性能電堆具有重要意義。

在陽(yáng)極封閉式操作條件下,電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)生成的水會(huì)由于難以及時(shí)排出,而在某些單體電池的質(zhì)子交換膜上集聚,產(chǎn)生“水淹”效應(yīng),造成電池性能的衰減,長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行,會(huì)使電池壽命縮短。

流過(guò)燃料電池陰極的空氣流速和風(fēng)扇系統(tǒng)功耗之間存在一個(gè)平衡,更高的流速可改善熱交換的程度,但要增加風(fēng)扇系統(tǒng)的功耗。應(yīng)該根據(jù)燃料電池不同的性能要求和應(yīng)用工況,對(duì)風(fēng)扇系統(tǒng)進(jìn)行綜合選擇,以達(dá)到輸出性能和系統(tǒng)效率的優(yōu)化。

通過(guò)建模、仿真、控制策略和實(shí)驗(yàn),進(jìn)一步改善PEMFC內(nèi)部的水熱管理、提高燃料電池性能、燃料利用率和系統(tǒng)整體效率是今后的研究方向。

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