楊長幸 ,趙潤賢 ,潘瑞昕，胡鳴若

(1.中國汽車工程研究院股份有限公司檢測事業(yè)部，重慶 401122；2.上海交通大學(xué)燃料電池研究所，上海 200240)

1 空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池概述

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有工作溫度低(通常不超過80 ℃)、功率密度高、響應(yīng)速度快等優(yōu)點[1-2]，已經(jīng)被應(yīng)用在汽車、熱電聯(lián)產(chǎn)等領(lǐng)域，是最有前景的一種燃料電池。

燃料電池在發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的同時會產(chǎn)生廢熱，廢熱需要通過換熱介質(zhì)被及時帶出，否則會破壞燃料電池的運行工況，從而使燃料電池的發(fā)電性能下降。對于質(zhì)子交換膜燃料電池而言，目前采用冷卻液對電堆進行散熱的方式最為普遍，即所謂的液冷型PEMFC。但是，液冷型PEMFC 的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要各種輔助設(shè)備[3]，這包括空壓機、增濕器、液體冷卻回路及控溫裝置等。因此，這些輔助設(shè)備增加了系統(tǒng)的寄生功率和成本。為了簡化燃料電池系統(tǒng)設(shè)計的復(fù)雜性、降低成本，陰極開放式結(jié)構(gòu)的空冷型PEMFC[4]開始受到關(guān)注。由圖1 可見，空冷型PEMFC 的陰極流場既是電化學(xué)反應(yīng)的場所，又是冷卻通道；與此同時，氫氣不經(jīng)增濕升溫直接進入陽極流場。因此，空冷型PEMFC 系統(tǒng)無需復(fù)雜的輔助部件，從而降低了系統(tǒng)的成本、質(zhì)量和體積。

圖1 空冷型PEMFC 的結(jié)構(gòu)示意圖

由于空冷型PEMFC 系統(tǒng)具有簡單輕便的優(yōu)點，因此可以將其應(yīng)用在一些總的輸出功率要求不高，但對系統(tǒng)的整體質(zhì)量和體積大小具有限制的領(lǐng)域。例如，英國的Intelligent Energy 公司[5]成功地將空冷型PEMFC 電堆應(yīng)用在無人機上作為動力源，將無人機的續(xù)航能力提升至幾小時，遠(yuǎn)高于搭載鋰電池的無人機。

目前對于空冷型PEMFC 電堆的結(jié)構(gòu)設(shè)計以及對于空冷型PEMFC 動力系統(tǒng)方面有比較多的理論和實驗研究[6-8]，但是有一個重要的實驗現(xiàn)象卻沒有得到足夠的重視，該現(xiàn)象是：當(dāng)空冷型PEMFC 電堆連續(xù)運行幾個小時之后，其單電池的平均電壓的下降速率可以達到幾mV/h 這個數(shù)量級[9-11]。Hu 等[12]分析了這一現(xiàn)象，如圖2所示。通過對電堆伏安曲線進行線性擬合，發(fā)現(xiàn)電堆總電壓的下降速率為34.09 mV/h，即電堆中單電池的電壓平均下降速率為0.852 mV/h。因此，空冷型電堆單電池電壓下降的速率較之常規(guī)有增濕液冷型電堆單電池幾mV/1 000 h～十幾mV/1 000 h[13]的電壓下降速率要大幾百至上千倍。這一現(xiàn)象說明，空冷型PEMFC 的輸出性能很不穩(wěn)定，而電池的輸出性能與其內(nèi)部的水熱管理關(guān)系密切。由此可見，優(yōu)化空冷型PEMFC 的水熱管理具有重要意義。

圖2 空冷型PEMFC 電堆的電壓-時間曲線[12]

基于此，本文將對于現(xiàn)有空冷型PEMFC 的水熱管理研究進行論述和分析，在此基礎(chǔ)上為該研究方向提出一些建設(shè)性的研究思路。

2 空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池水熱管理的研究

由于空冷型PEMFC 是依靠強制對流空氣散熱的，而空氣的比熱容遠(yuǎn)小于液體(如液態(tài)水、乙二醇等)，因此，空冷型PEMFC 的散熱能力較差[14]，在電池運行過程中有可能產(chǎn)生“過熱”的現(xiàn)象。因此，相比于液冷型PEMFC，空冷型PEMFC的水熱管理更復(fù)雜。2.1～2.3 節(jié)將介紹空冷型PEMFC 的熱管理、水管理及其優(yōu)化措施。

2.1 空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的熱管理研究

空冷型燃料電池的工作溫度范圍較大，一般從室溫至70 ℃。溫度過高或者過低都會造成空冷型PEMFC 性能的衰減，因此，Meyer 等[15]通過建立空冷型PEMFC 的“電-熱特性圖譜”，研究了溫度與電壓、電流密度之間的關(guān)系，該研究發(fā)現(xiàn)45 ℃是空冷型PEMFC 的最佳工作溫度。Rosa 等[16]詳細(xì)地考察了空氣流量對空冷型PEMFC 性能的影響，其研究結(jié)果表明，隨著空氣流量的增大，電池性能會明顯提升，這是因為電池溫度隨著空氣流量增大而降低，從而緩解了質(zhì)子交換膜的“干涸”現(xiàn)象。然而，上述研究工作是基于穩(wěn)態(tài)的運行工況，而沒有考慮電堆溫度的瞬態(tài)響應(yīng)特性。為此，Jian 等[17]對電堆施加階躍負(fù)載，基于此研究了空冷型電堆的溫度響應(yīng)特性，并且詳細(xì)分析了溫度和電流密度對瞬態(tài)響應(yīng)的影響。其結(jié)果表明，在初始階段，局部溫度是影響電堆熱響應(yīng)的關(guān)鍵因素；低電流密度時，溫度的變化主要取決于膜的干濕性；當(dāng)電堆功率逐漸接近額定功率的時候，溫度上升的速率也變得更平穩(wěn)了。以上研究定性地評估溫度對電堆瞬態(tài)響應(yīng)特性的影響，為了準(zhǔn)確地測量空冷型PEMFC 的溫度，Luo 等[18]使用一臺熱成像相機和60 個熱電偶測量電池的溫度，其測試結(jié)果顯示，電堆溫度變化的速率只與電堆電流變化的幅度有關(guān)，電堆電流變化幅度越大，電堆溫度變化幅度越快；隨著電流的增大，電堆內(nèi)外之間的溫差也顯著增大；空氣流動方向、電池內(nèi)部的液態(tài)水分布也會影響溫度的分布情況。這項研究直觀、詳細(xì)地分析了空冷型PEMFC 溫度的動態(tài)特性，為其他空冷型PEMFC 熱管理的研究提供了重要參考。此外，Meyer 等[19]采用基于印刷電路板(PCB)技術(shù)的電流和溫度分布測量裝置，揭示了空冷型PEMFC 電堆內(nèi)部的電流密度和溫度的分布情況。其研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電堆運行在低電流密度(460 mA/cm2)的時候，電堆最高溫度出現(xiàn)在陽極入口和陰極出口的交叉區(qū)域；當(dāng)電堆運行在高電流密度(930 mA/cm2)的時候，最高溫度出現(xiàn)在電堆中間、靠近陰極出口的位置。

基于計算流體力學(xué)(CFD)，建立空冷型PEMFC 的數(shù)學(xué)模型，對電池內(nèi)溫度分布進行研究的方法也被廣泛應(yīng)用。Shahsavari 等[20]基于空冷型PEMFC 單電池的三維數(shù)值模型，分析其熱傳遞的過程，并給出了電池內(nèi)部的溫度仿真分布圖，見圖3。其研究結(jié)果表明：雙極板和空氣進氣之間的溫差很大；相比于水冷型燃料電池，空冷型PEMFC 在氣體流動方向上的溫度梯度更大；最高溫度點位于電池中間、靠近陰極出口的地方。該模型不僅能夠用來指導(dǎo)空冷型PEMFC 冷卻裝置的設(shè)計，而且該模型還可以被擴展用于電堆的研究，因此后續(xù)很多研究是以該模型為基礎(chǔ)分析并優(yōu)化了空冷型PEMFC 傳熱特性的。Strahl 等[21]的仿真研究也發(fā)現(xiàn)了空冷型PEMFC 的溫度梯度要遠(yuǎn)大于水冷型PEMFC。

圖3 空冷型PEMFC單電池溫度分布圖[20]

上述仿真研究都是基于單電池展開的，與此同時，研究人員對于空冷型PEMFC 電堆的熱管理方面也進行了更復(fù)雜的仿真研究。D'Souza 等[22]基于數(shù)值模型研究了由80 片單電池組成的空冷型PEMFC 電堆的溫度場和空氣速度場，其仿真結(jié)果表明，電堆中大約70%的單電池的溫度分布規(guī)律是一致的；風(fēng)扇與電堆之間的距離對電池散熱的影響幾乎可以忽略不計。Sasmito 等[23]建立了一個三維兩相流模型，該模型的仿真區(qū)域既包含空冷型PEMFC 電堆也包括環(huán)境空氣。結(jié)果表明：風(fēng)扇的功率越大，電堆的性能越好，這是因為風(fēng)扇功率變大增強了電池的散熱能力；陰極流道高度越大，在相同的電流密度下電池的溫度越低，電池的性能越好?？绽湫蚉EMFC電堆利用風(fēng)扇提供強制對流空氣，因此風(fēng)扇對電堆的性能以及熱管理具有非常關(guān)鍵的作用，Sasmito 等[24]采用同一個模型進一步研究了風(fēng)扇數(shù)量、風(fēng)扇的型號對空冷型PEMFC 電堆的影響，其研究結(jié)果表明，采用離心式風(fēng)扇的電堆比采用軸流式風(fēng)扇的電堆的性能更好；電堆采用2 個30 W 的風(fēng)扇比采用一個60 W 的風(fēng)扇能提供更大的空氣流量，因此，更有利于空冷型PEMFC 電堆的散熱。闕海丹等[25]基于CFD 仿真軟件Fluent 模擬并分析了空氣“吸風(fēng)”和“吹風(fēng)”兩種進氣方式對空冷型PEMFC 電堆性能和散熱能力的影響，其仿真結(jié)果表明，采用“吹風(fēng)”的電堆的性能較差，這反映在電堆各個單電池之間的電壓不均衡，其原因主要是：當(dāng)空氣是被“吹”進電堆的時候，個別單電池的空氣流速明顯低于其他單電池，因此，這幾片單電池的散熱效果較差，導(dǎo)致其性能降低。

2.2 空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池的水管理研究

水管理對燃料電池，特別是空冷型PEMFC 至關(guān)重要。這是因為：空冷型PEMFC 的運行工況非常特殊，即在電池陽極側(cè)，干燥氫氣不經(jīng)增濕直接進入陽極進行電化學(xué)反應(yīng)；在電池陰極側(cè)，開放式的陰極流場使得進入電堆的空氣濕度與環(huán)境大氣的濕度時時相等。此外，為了維持空冷型PEMFC 的運行溫度，其陰極側(cè)的空氣化學(xué)計量比會遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于常規(guī)液冷型電堆的空氣化學(xué)計量比(通常為2～4)，達到幾十[15]至幾百[20]的數(shù)量級。在如此低的陽極濕度、如此高的陰極化學(xué)計量比的操作條件下運行，按照常理推測電池內(nèi)部不會有液態(tài)水產(chǎn)生，但是，當(dāng)使用中子成像技術(shù)后，Meyer 等[26]觀察到了空冷型PEMFC 內(nèi)部的液態(tài)水隨時間和空間的分布規(guī)律。其研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電池工作在500 mA/cm2的時候，陰極擴散層內(nèi)部出現(xiàn)了明顯的水淹現(xiàn)象；而當(dāng)電流密度增大到670 mA/cm2，甚至在陽極擴散層也出現(xiàn)比較嚴(yán)重的水淹現(xiàn)象。該研究在空冷型PEMFC 領(lǐng)域具有重大意義，它首次揭示了空冷型PEMFC內(nèi)部也會有比較嚴(yán)重的水淹現(xiàn)象存在。為了更準(zhǔn)確地揭示空冷型PEMFC 的水傳遞過程，F(xiàn)ink 等[27]建立了三維兩相流CFD模型，考察了一個5 片單電池組成的空冷型PEMFC 電堆中質(zhì)子交換膜含水量、水的凈通量以及催化層內(nèi)水蒸氣濃度的分布情況。其研究發(fā)現(xiàn)，陰極“筋”下方膜的含水量高于陰極流道下方，而且該含水量在氫氣主流方向呈現(xiàn)周期性分布。這一現(xiàn)象與Zhao 等[28]的仿真研究結(jié)果相吻合，即空冷型PEMFC 的水淹現(xiàn)象主要出現(xiàn)在陰極“筋”下方；相鄰的“流道”和“筋”下方的質(zhì)子交換膜的含水量差異很大，基于該顯著特征，可以獲得一個重要的研究內(nèi)容：即膜內(nèi)部存在較大的周期性的機械應(yīng)力，對于這一機械應(yīng)力進一步深入分析，可以將膜中含水量分布的不均勻性與電池性能快速下降相關(guān)聯(lián)，即，這可能是造成電池運行一段時間后性能快速下降的原因之一。

2.3 空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池水熱管理的優(yōu)化措施研究

通過優(yōu)化流場結(jié)構(gòu)或設(shè)計外部散熱元件可以改善空冷型PEMFC 的水熱管理，從而提升電池的性能和穩(wěn)定性。例如，Baik 等[29-30]開發(fā)一種多孔結(jié)構(gòu)(multi-hole structure，MHS)的新型雙極板，即在雙極板“筋”上面打孔，因此能讓更多的空氣通過這些小孔進入電池陰極，這不僅使氧氣濃度分布更加均勻，而且相比于常規(guī)的空冷型PEMFC 雙極板，多孔結(jié)構(gòu)的雙極板可以更好地排出液態(tài)水。因此，采用MHS 結(jié)構(gòu)的空冷型PEMFC 電堆的性能以及單電池電壓的均一性都比采用傳統(tǒng)空冷型雙極板的電堆性能更好。Lo'pez-Sabiro'n 等[31]基于一維模型，通過改變陰極流道尺寸來優(yōu)化電池?zé)峁芾?。其研究發(fā)現(xiàn)：陰極流道越短，電堆需要的空氣流量越大；較寬的陰極流道更有助于散熱，但是，雙極板和擴散層之間的接觸面積也隨之減少，導(dǎo)致歐姆阻抗增大。此外，Sasmito 等[32]提出一種“邊緣冷卻”的結(jié)構(gòu)，即將散熱翅片安裝在空冷型PEMFC電堆的外側(cè)，空氣流經(jīng)翅片的時候可以帶走電堆中產(chǎn)生的熱量，其冷卻效果明顯比不帶翅片的電堆的冷卻效果更好；此外，其研究結(jié)果還表明，翅片的長度對散熱效果的影響比翅片的厚度的影響更大。Zhao 等[33]將蒸發(fā)室(vapor champer)嵌入空冷型PEMFC 電堆中，這種蒸發(fā)室是由兩塊厚度為0.2 mm 的銅板焊接在一起，其中采用燒結(jié)的銅粉形成毛細(xì)管結(jié)構(gòu)，與一般的空冷型電堆相比，采用蒸發(fā)室的電堆的輸出功率提升了10%；電堆內(nèi)部的溫度場分布更加均勻，溫度梯度變得更小；蒸發(fā)室可以帶走大約50%的廢熱。

上述空冷型PEMFC 水熱管理的優(yōu)化研究是基于單電池或者電堆的本體結(jié)構(gòu)進行的，其設(shè)計思路主要是通過設(shè)計新型流場結(jié)構(gòu)或者在空冷型PEMFC 電堆上使用新型冷卻裝置。而在實際應(yīng)用中，電堆往往要和氫氣瓶、風(fēng)扇、控制電路等部件協(xié)同工作，因此，對燃料電池系統(tǒng)控制進行優(yōu)化，有助于改善水熱管理對輸出性能的影響。Strahl 等[34]將模型和實驗相結(jié)合，考察了溫度對空冷型PEMFC 系統(tǒng)性能的影響，并設(shè)計了最優(yōu)控制策略。其研究發(fā)現(xiàn)：電堆溫度最依賴交換電流密度這一參數(shù)；與此同時他們提出了一種帶局部PI 控制器的尋求極值的控制算法，通過該算法將電池溫度調(diào)節(jié)至某個值從而獲得電堆電壓的最大值。Ou 等[35]以系統(tǒng)性能最優(yōu)化為目標(biāo)，提出了一種控制策略，可以將空氣流量控制在某個最優(yōu)值，該值可以保證空冷型PEMFC 系統(tǒng)輸出最大的凈功率，同時避免空冷型PEMFC 電堆過熱和供氣不足。Ou 等[36]進一步研究了空冷型PEMFC 系統(tǒng)的濕度控制和溫度控制，設(shè)計了多輸入多輸出(multiple-input-multiple-output)模糊控制器，可以處理燃料電池水傳輸動力學(xué)的非線性和不確定性，對燃料電池溫度的控制具有良好的性能，具體體現(xiàn)在控制反應(yīng)速度快、溫度波動小。此外，游志宇等[37]通過對實驗數(shù)據(jù)的擬合，獲得了電堆最佳工作溫度的經(jīng)驗公式，在此基礎(chǔ)上考察了幾種控制方法對空冷型PEMFC 負(fù)載變化的響應(yīng)特性。其研究發(fā)現(xiàn)：自適應(yīng)模糊PID 溫度控制在電堆溫度控制和風(fēng)扇控制等方面具有明顯優(yōu)勢，其有利于提升空冷型PEMFC 的輸出性能、延長電堆使用壽命。

3 結(jié)論

空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池結(jié)構(gòu)緊湊、簡單輕便，在無人機等小功率的應(yīng)用場合具有廣闊的前景。但是，空冷型PEMFC 長時間工作的穩(wěn)定性遠(yuǎn)遠(yuǎn)不如傳統(tǒng)的液冷型PEMFC，這是因為空冷型PEMFC 的水熱管理更復(fù)雜。關(guān)于空冷型PEMFC 水熱管理的研究，有以下四個重要結(jié)論：

(1)空氣流量對空冷型PEMFC 的水熱管理具有至關(guān)重要的作用?？諝饬髁刻?，電池會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象；空氣太大，電池內(nèi)部的水淹現(xiàn)象嚴(yán)重。因此，必須將空氣流量控制在某一個合適的范圍內(nèi)；

(2)雖然相比于傳統(tǒng)的液冷型PEMFC，空冷型PEMFC 的空氣流量很大(計量比在幾十～幾百之間)，按照常理推測液態(tài)水會被高速流動的空氣吹掃帶走，但是研究發(fā)現(xiàn)電池的陰極仍然有明顯的水淹現(xiàn)象，且水淹現(xiàn)象主要出現(xiàn)在陰極“筋”下方；

(3)可以通過優(yōu)化流場的結(jié)構(gòu)設(shè)計來改善電池散熱、將膜的含水量保持在一定范圍內(nèi)、提高電池內(nèi)部氣體分布的均勻性；

(4) 通過優(yōu)化控制算法來控制空冷型PEMFC 風(fēng)扇的功率，使電池在最優(yōu)工作溫度點運行，從而可以使得系統(tǒng)的總效率達到最佳狀態(tài)。

4 展望

目前關(guān)于空冷型PEMFC 熱管理的研究相對較多，并已提出一些優(yōu)化電堆散熱的措施。但是，對于其水管理的研究相對滯后，以下是我們總結(jié)出的該領(lǐng)域的幾個值得重點關(guān)注的研究方向：

(1)揭示空冷型PEMFC 內(nèi)部液態(tài)水在陽極和陰極側(cè)隨時間的動態(tài)分布規(guī)律。雖然已經(jīng)有研究人員分析了空冷型PEMFC 在穩(wěn)定工作狀態(tài)下的液態(tài)水分布情況，但是電池在實際運行的時候必然會經(jīng)歷啟動、停機以及負(fù)載變化等復(fù)雜工況，從微觀上揭示液態(tài)水的動態(tài)變化規(guī)律有利于從宏觀上優(yōu)化空冷型PEMFC 的動態(tài)特性；

(2) 分析空冷型PEMFC 穩(wěn)態(tài)運行過程中，質(zhì)子交換膜內(nèi)部的應(yīng)力分布情況。文獻[29]的研究結(jié)論表明，空冷型PEMFC 穩(wěn)定運行時，在陰極“筋”下方和在陰極“流道”下方的質(zhì)子交換膜的含水量具有很大的差異。而膜含水的多少會造成膜的溶脹與收縮，因此很有必要揭示空冷型PEMFC 穩(wěn)定運行過程中膜的應(yīng)力分布情況，從而為優(yōu)化質(zhì)子交換膜、膜電極以及流場的設(shè)計提供指導(dǎo)；

(3) 探索陽極水淹造成空冷型PEMFC 的催化劑衰減機理。研究表明，電池陽極擴散層會出現(xiàn)液態(tài)水，液態(tài)水覆蓋了部分陽極催化層區(qū)域，因此會在陽極催化層中產(chǎn)生局部缺氫的現(xiàn)象，在局部缺氫的區(qū)域內(nèi)由于有從陰極通過膜擴散而來的氧氣的存在，因此在陽極缺氫區(qū)域會發(fā)生氧氣的還原反應(yīng)，見式(1)；而與陽極缺氫區(qū)域相對應(yīng)的陰極區(qū)域電位升高，陰極催化劑的碳載體發(fā)生氧化反應(yīng),見式(2)，從而使陰極催化劑發(fā)生腐蝕而失效，其原理如圖4[38]所示。

圖4 質(zhì)子交換膜燃料電池陽極局部缺氫的原理和相關(guān)反應(yīng)[39]

因此，有必要探索空冷型PEMFC 陰極的催化劑衰減機制，揭示催化劑活性隨時間、空間的衰減規(guī)律。

綜上所述，揭示空冷型PEMFC 內(nèi)部液態(tài)水動態(tài)分布規(guī)律、分析質(zhì)子交換膜的應(yīng)力分布以及空冷型PEMFC 陰極催化劑的衰減機制，并在此基礎(chǔ)上提出優(yōu)化設(shè)計和運行的方案，可能是空冷型質(zhì)子交換膜燃料電池研究的重要方向。