不同供氣模式下質(zhì)子交換膜燃料電池實(shí)驗(yàn)研究

肖 燕，張 偉，崔垚鵬，賈秋紅

(重慶理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 重慶 400054)

在人類社會(huì)可持續(xù)發(fā)展進(jìn)程中，能源和環(huán)境問題始終扮演著重要的角色?！笆逡?guī)劃”已將大力發(fā)展綠色能源、清潔能源納入其中。高效利用風(fēng)能、太陽能以及氫能源等清潔能源是今后一段時(shí)期能源發(fā)展的必然趨勢(shì)。燃料電池系統(tǒng)是把燃料(氫氣)和氧化劑(空氣或者氧氣)中的化學(xué)能通過電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為電能的一種發(fā)電裝置[1-2]。該轉(zhuǎn)化過程通過電化學(xué)反應(yīng)直接產(chǎn)生，不受熱機(jī)卡諾循環(huán)的限制，能量轉(zhuǎn)化率高，環(huán)境友好，因此備受關(guān)注，較之傳統(tǒng)的發(fā)電系統(tǒng)具有不可比擬的優(yōu)勢(shì)。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cells，PEMFC)是燃料電池的一種，應(yīng)用領(lǐng)域十分廣闊。

通常情況下陰極開放式質(zhì)子交換膜燃料電池[3-4]屬于小功率電池堆，電池堆陰極結(jié)構(gòu)開放且暴露在空氣中，因而供氣系統(tǒng)更加簡(jiǎn)單。電池增濕采用自增濕從而省去了外部加濕裝置、冷卻回路的設(shè)計(jì)。風(fēng)扇作為陰極的供氣系統(tǒng)的組成部件提供了電池化學(xué)反應(yīng)的氧氣，并且在氣體交換流動(dòng)過程中帶走多余的水和熱量。

針對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池陰極供氣系統(tǒng)對(duì)電池性能的影響，國內(nèi)外學(xué)者做了大量的研究。文獻(xiàn)[5]在動(dòng)態(tài)建模過程中采用了微型氣泵作為電池陰極供氣輔助系統(tǒng)，指出了微型泵會(huì)造成陰極流道內(nèi)微弱的負(fù)壓。文獻(xiàn)[6]論證了風(fēng)機(jī)出口管道內(nèi)存在負(fù)壓現(xiàn)象，并且通過對(duì)風(fēng)機(jī)建立數(shù)學(xué)模型證明了負(fù)壓與風(fēng)機(jī)出口空氣流速有關(guān)。Choi 等[7]的實(shí)驗(yàn)中陰極供氣系統(tǒng)采用強(qiáng)制對(duì)流型的風(fēng)扇，解釋了不同位置加裝風(fēng)扇對(duì)進(jìn)氣流量分布及電池溫度的影響。 文獻(xiàn)[8]對(duì)車用質(zhì)子交換膜燃料電池堆的陰極進(jìn)氣系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，討論了進(jìn)出口氣體壓力差和進(jìn)出口位置與個(gè)數(shù)對(duì)電池性能的影響，但缺少實(shí)驗(yàn)對(duì)模型的驗(yàn)證。Liu Ming-yi 等[9]對(duì)便攜式 PEMFC系統(tǒng)進(jìn)行性能測(cè)試，對(duì)影響系統(tǒng)性能的主要因素進(jìn)行了研究，分析了“吸”模式下風(fēng)扇高度對(duì)電池系統(tǒng)性能的影響，但沒有與“吹”模式進(jìn)行對(duì)比分析，并且文中并沒有對(duì)風(fēng)扇高度的概念進(jìn)行嚴(yán)格的定義和提供參照依據(jù)。文獻(xiàn)[3]在假定氣體流動(dòng)屬于層流的前提下對(duì)風(fēng)扇氣體流速和溫度分布的測(cè)量進(jìn)行探討，對(duì)風(fēng)扇“吹”和“吸”進(jìn)行了相關(guān)研究，得出了風(fēng)扇流速分布和電堆表面溫度分布情況，但沒有對(duì)流道內(nèi)部溫度進(jìn)行測(cè)量和研究。國內(nèi)外許多文獻(xiàn)對(duì)陰極開放式燃料電池供氣系統(tǒng)進(jìn)行了相關(guān)研究，發(fā)現(xiàn)整個(gè)陰極供氣系統(tǒng)的整體效率影響電池的輸出性能，因此對(duì)陰極風(fēng)扇供氣系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)研究具有重要的工程實(shí)用價(jià)值。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，對(duì)實(shí)驗(yàn)室小功率陰極開放式 PEMFC 電堆開展了相關(guān)的實(shí)驗(yàn)研究。該實(shí)驗(yàn)對(duì)陰極不同供氣模式下陰極端部和陰極流道內(nèi)的溫度分布進(jìn)行了分析，對(duì)陰極流道進(jìn)出口的空氣流速分布情況進(jìn)行了研究，提出通過風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)來實(shí)現(xiàn)“吹”和“吸”的2種不同工況模式的耦合，以此優(yōu)化電池的輸出性能。

1 燃料電池的工作原理

質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電的實(shí)質(zhì)是電解水的逆過程，氫氣經(jīng)過陽極入口進(jìn)入電池流道經(jīng)擴(kuò)散層后到達(dá)催化層，在催化劑作用下氫氣離解為H+和電子，電子經(jīng)過外電路到達(dá)陰極而與此同時(shí)氫質(zhì)子通過質(zhì)子交換膜遷移到達(dá)陰極，此時(shí)電子、H+、O2三者在陰極催化層界面上反應(yīng)生成水，這一過程中電子在外電路的不斷遷移就形成了電流而供負(fù)載使用。電池的生成物只有水、熱能、電能，所以應(yīng)用質(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)電不會(huì)造成大氣污染，更加環(huán)保。

圖1中虛點(diǎn)畫線方框內(nèi)為開放式PEMFC陰極供氣系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，其由PEMFC電堆和陰極風(fēng)扇系統(tǒng)組成。電池堆陽極氫氣出口安裝常閉防爆電磁閥與大氣壓相互隔離并定時(shí)排水、排氣；陰極采用開放式結(jié)構(gòu)，流道直接暴露在空氣中。風(fēng)扇的功能是實(shí)現(xiàn)空氣在陰極流道中交換流動(dòng)，為燃料電池提供反應(yīng)所需的氧氣，同時(shí)帶走多余的熱量和水。

2 燃料電池陰極供氣系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

本實(shí)驗(yàn)使用的陰極開放式PEMFC電堆由11片電池串聯(lián)組成。圖2(a)為建立的電堆三維坐標(biāo)，XOZ平面為電堆流道空氣入口端，X1O1Z1平面為電堆流道空氣出口端，沿OY方向?yàn)槿剂想姵仃帢O流道空氣流動(dòng)方向。單電池的結(jié)構(gòu)(如圖2(b)所示)是由2片石墨雙極板和膜電極壓制而成，質(zhì)子交換膜為杜邦公司Nafion112型膜。雙極板一面是封閉的平行陽極流場(chǎng)，另一面為開放式平行陰極流場(chǎng)。電堆相關(guān)尺寸參數(shù)見表1。

符號(hào)參數(shù)數(shù)值N單體數(shù)/片11A膜有效面積/cm221M電池質(zhì)量/g500電池外形尺寸/mm100×45×55Va陽極流道體積/cm36.82Vc陰極流道體積/cm324.5

采用臺(tái)達(dá)公司的AFB0812SH風(fēng)扇作為供氣設(shè)備。該風(fēng)扇屬于4線脈寬調(diào)制(PWM)滾珠軸流風(fēng)扇，具有轉(zhuǎn)速檢測(cè)、正反轉(zhuǎn)控制等功能，其相關(guān)參數(shù)見表2。實(shí)驗(yàn)過程要求風(fēng)扇正轉(zhuǎn)為“吹”模式工作；反轉(zhuǎn)為“吸”模式工作；正反轉(zhuǎn)為“吹”和“吸”耦合模式工作。

表2 風(fēng)扇參數(shù)

氫氣從高壓氣瓶中經(jīng)過雙極減壓閥后經(jīng)輸氣管道供給給電堆，氫氣純度為99.999%。電堆系統(tǒng)不對(duì)氫氣進(jìn)行循環(huán)利用，故電堆陽極出口封閉(dead-end)，通過常閉防爆電磁閥進(jìn)行水、廢氣的排放。氫氣進(jìn)氣壓力30 kPa，實(shí)驗(yàn)過程保證環(huán)境溫度為23 ℃，電子負(fù)載采用艾德克斯IT8511A可編程直流電子負(fù)載，加載方式設(shè)定為恒電壓模式。

3 電池堆溫度分布和空氣流速的測(cè)試

3.1 電池堆溫度分布的測(cè)試

電堆溫度分布的測(cè)量實(shí)驗(yàn)采用多次多點(diǎn)測(cè)量的方法，通過針型熱電阻探頭對(duì)每片單電池溫度和流道方向溫度進(jìn)行測(cè)量。如圖2(a)所示，實(shí)驗(yàn)中XOZ局部坐標(biāo)平面一側(cè)加裝風(fēng)扇。① “吹”模式：XOZ平面為電堆流道空氣入口、X1O1Z1平面為電堆流道空氣出口；②“吸”模式：XOZ平面為電堆流道空氣出口，X1O1Z1平面為電堆流道空氣入口。在2種不同模式下加裝于XOZ平面處的風(fēng)扇采用正反轉(zhuǎn)的方式實(shí)現(xiàn)。在X1O1Z1平面逐個(gè)測(cè)量11片電池流道內(nèi)部溫度，改變探頭插入流道深度來完成沿Y方向(以XOZ平面為基準(zhǔn)，Y軸方向?yàn)榱鞯婪较?溫度的測(cè)量，完成燃料電池堆溫度分布的研究。

燃料電池陰極單個(gè)流道的尺寸大小為 30 mm×1.2 mm×1.8 mm，實(shí)驗(yàn)采用11個(gè)直徑Φ1 mm針型熱電阻探頭?？紤]到XOZ平面加裝風(fēng)扇，因此在X1O1Z1平面內(nèi)將11片單電池依次標(biāo)記為A、B、C、D、E、F、G、H、I、J、K進(jìn)行測(cè)量(如圖3所示)。本實(shí)驗(yàn)傳感器探頭位置按圖3均勻布置；陰極流道長度為30 mm，每5 mm設(shè)置1個(gè)點(diǎn)，共6個(gè)點(diǎn)，逐個(gè)進(jìn)行流道溫度測(cè)量。測(cè)量數(shù)據(jù)經(jīng)過數(shù)據(jù)采集卡上傳到上位機(jī)并顯示在上位機(jī)界面，上位機(jī)采用labview編寫設(shè)計(jì)。溫度傳感器選用K型針式熱電阻WRNK-191溫度傳感器，數(shù)據(jù)采集卡選用研華USB-4711A。

圖3 探頭測(cè)量位置示意圖

圖4 “吹”和“吸”2種工作模式示意圖

3.2 陰極流道空氣流速測(cè)試

考慮到陰極流道體積較小、空氣流速測(cè)量不方便，本研究通過分別在XOZ和X1O1Z1兩平面的位置(也即在陰極端部位置)加裝熱敏風(fēng)速探頭測(cè)量空氣流速來定性分析其變化趨勢(shì)。本研究采用的風(fēng)速傳感器為華裕WS-100B，該傳感器基于皮托管測(cè)速原理，輸出485信號(hào)，量程為0～30 m/s，分辨率為0.1 m/s，變送器線性補(bǔ)償和溫度補(bǔ)償均實(shí)現(xiàn)數(shù)字化。

“吹”和“吸”2種模式實(shí)驗(yàn)原理方法相同，改變風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)即可實(shí)現(xiàn)，如圖4(a)、4(b)所示。為了準(zhǔn)確測(cè)量空氣的流速，將電池流道進(jìn)出口有效面積置于XY坐標(biāo)系下，如圖5所示。熱敏風(fēng)速探頭分別沿著X軸、Y軸按給定距離移動(dòng)，并將數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)，記錄數(shù)據(jù)。本實(shí)驗(yàn)給定距離為5 mm。

圖5 電池流道進(jìn)出口有效面坐標(biāo)

4 不同供氣模式下空氣流速分布和溫度分布

4.1 “吹”和“吸”不同模式下空氣流速分布

在測(cè)量流道進(jìn)出口處的流速大小分布過程中，將電堆流道進(jìn)出口有效面積的中心位置流速記為0，流道邊緣位置坐標(biāo)見圖5，流道平面Y方向每間隔5 mm測(cè)量1次，共測(cè)得13個(gè)位置點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6所示，其中：(a)和(b)分別為“吹”模式下風(fēng)扇不同電壓下的進(jìn)口和出口空氣流速大小分布曲線；(c)和(d)為“吸”模式下風(fēng)扇不同電壓下的出口和進(jìn)口流道空氣流速大小分布曲線。

從圖6(a)和(b)可發(fā)現(xiàn)：風(fēng)扇在“吹”模式下陰極流道進(jìn)口處風(fēng)速分布呈現(xiàn)“M”狀且從流道邊緣向中心靠近方向風(fēng)速逐漸升高，在流道中心附近約7 mm處風(fēng)速急劇下降后又繼續(xù)攀升；出口處的流速分布則較為不規(guī)則，呈現(xiàn)“鋸齒”，這一現(xiàn)象的原因是出口處存在負(fù)壓區(qū)[5-6]，因而產(chǎn)生微弱的渦流，當(dāng)空氣從流道通過時(shí)由于渦流作用改變?cè)械乃俣确较?，流道出口風(fēng)速呈現(xiàn)不規(guī)則狀態(tài)。

從圖6(c)和(d)可發(fā)現(xiàn)：“吸”模式下陰極流道進(jìn)口處的風(fēng)速小于出口處的風(fēng)速，流道出口處負(fù)壓最大，因此其風(fēng)速大于進(jìn)口處風(fēng)速，且出口處風(fēng)速波動(dòng)大于進(jìn)口處風(fēng)速波動(dòng)。

綜合分析圖6可知：“吸”模式下陰極流道出口的空氣流速波動(dòng)較小，而“吹”模式下其空氣流速波動(dòng)較大，并且流道邊緣到中心速度值相差較大。

圖6 不同模式下的流速分布圖

4.2 “吹”和“吸”不同模式下電堆的溫度分析

實(shí)驗(yàn)中測(cè)得“吹”模式下方案1的溫度值如圖7所示?？梢姀牧鞯肋M(jìn)口到出口溫度值呈遞增趨勢(shì)，主要是因?yàn)榱鞯纼?nèi)空氣速度遞減，單位時(shí)間帶走的熱量減小。從電堆邊緣到中心溫度先降低后逐漸上升，并呈“W”分布，原因是風(fēng)速分布呈“M”分布且邊緣風(fēng)和中心風(fēng)速較小所以溫度較高。電堆溫度基本呈對(duì)稱趨勢(shì)分布但是在出口附近溫度變化極不規(guī)則，是因?yàn)樨?fù)壓產(chǎn)生的“渦流”造成風(fēng)速不規(guī)則而引起溫度變化差別較大。實(shí)驗(yàn)測(cè)得方案2、方案3的溫度值的變化趨勢(shì)基本相同，在此不再進(jìn)行說明。

實(shí)驗(yàn)測(cè)得的“吸”模式下方案1的溫度值如圖8所示，可見從流道進(jìn)口沿著流道方向到出口處溫度值呈遞減趨勢(shì)，因?yàn)榱鞯纼?nèi)部風(fēng)速遞增且進(jìn)口處的風(fēng)速比出口處的風(fēng)速小很多，所以單位時(shí)間散熱量差異很大。從電堆邊緣到電堆中心溫度先降低后逐漸上升，呈“W”分布，是因?yàn)轱L(fēng)速分布呈“M”分布且邊緣風(fēng)和中心風(fēng)速較小，所以溫度較高。

圖7 “吹”模式下電堆溫度分布

圖8 “吸”模式下電堆溫度分布

綜上實(shí)驗(yàn)結(jié)果可見：“吹”模式下電堆沿流道方向的溫度整體呈上升趨勢(shì)，且出口溫度高于進(jìn)口溫度；“吸”模式下進(jìn)口溫度高于出口處溫度；“吹”和“吸”模式下電堆中心的溫度明顯高于周邊溫度。

本實(shí)驗(yàn)風(fēng)扇的安裝位置固定，“吹”和“吸”2種供氣模式下陰極流道空氣進(jìn)出口方向相反。本文在此基礎(chǔ)上提出應(yīng)用風(fēng)扇正反轉(zhuǎn)耦合的供氣模式均衡電池的散熱來提高電池的性能。表3給出了單電池在0.6 V下的電池輸出性能。圖9給出了“吹”、“吸”和“吹和吸”耦合供氣模式下電堆的溫度分布。由圖9可發(fā)現(xiàn)：“吹”模式下出口溫度高于進(jìn)口溫度；“吸”模式下進(jìn)口溫度高于出口處溫度；“吹和吸”耦合模式下進(jìn)口出口處溫度基本相等，且電堆平均溫度較低，降溫效果更好。

本實(shí)驗(yàn)中設(shè)定風(fēng)扇正轉(zhuǎn)“吹”和反轉(zhuǎn)“吸”的時(shí)間為10 min，分析1 h內(nèi)電池的性能。表5僅給出了單電池在0.6 V下的電池輸出性能。該結(jié)果表明：供氣風(fēng)扇在“吸”模式下電池性能優(yōu)于“吹”模式，“吹和吸”耦合模式下電池性能最優(yōu)。

圖9 “ 吹”和“吸”電堆進(jìn)出口溫度分布情況示意圖

參數(shù)“吸”模式 “吹”模式“吹和吸”耦合風(fēng)扇功率/W6.126.126.12電堆電壓/V6.66.66.6單電池電壓/V0.60.60.6電堆電流/A8.2377.4698.765電堆功率/W54.3649.3057.9電堆中心溫度/℃47.847.346.3電堆邊緣溫度/℃46.547.245.7

5 結(jié)論

對(duì)陰極開放式PEMFC在“吹”、“吸”和“吹和吸”不同供氣方式下陰極流道進(jìn)出口的風(fēng)速分布及電池堆的溫度分布進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，并得到以下結(jié)論：

1) “吹”模式下，流道進(jìn)口風(fēng)速大小呈“M”型分布，出口風(fēng)速受到“渦流”干擾分布不規(guī)則；“吸”模式下陰極流道進(jìn)口風(fēng)速小于出口風(fēng)速，且進(jìn)出口風(fēng)速大小均呈“M”型分布。

2) “吹”模式下，沿著流道方向溫度上升且在出口處溫度因?yàn)槭艿健皽u流”影響阻礙散熱，來自流道前方溫度的累積溫度偏高，且溫度分布呈“W”型；“吸”模式下溫度沿著流道方向溫度下降，溫度分布呈“W”型；“吸”和“吹”模式下電堆溫度分布和風(fēng)速分布具有一致性。

3) 供氣風(fēng)扇在“吸”模式下電池性能優(yōu)于“吹”模式，“吹和吸”耦合模式下電池性能最優(yōu)。