基于反應(yīng)狀態(tài)原位測(cè)試的空冷型燃料電池運(yùn)行參數(shù)分析

陳敏學(xué), 邱殿凱, 彭林法

(上海交通大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院,上海 200240)

圖1 空冷電堆和PCB測(cè)試板示意圖Fig.1 Schematic of air-cooled stack and PCB test board

質(zhì)子交換膜燃料電池(Proton Exchange Membrane Fuel Cell,PEMFC)具有能量轉(zhuǎn)換效率高、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn).相比液體冷卻型燃料電池,空氣冷卻型燃料電池不需要額外的電池冷卻系統(tǒng),直接利用環(huán)境空氣提供反應(yīng)所需的氧氣,同時(shí)冷卻電池,具有系統(tǒng)簡(jiǎn)單、寄生功率小、成本低等優(yōu)勢(shì),在無(wú)人機(jī)[1]、便攜式小型電源[2]等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.

水熱狀態(tài)是影響PEMFC性能的關(guān)鍵因素.一方面,膜電極需要有足夠的水分才能保證良好的質(zhì)子傳導(dǎo)性能;另一方面,反應(yīng)生成的液態(tài)水需要及時(shí)排除,避免電極水淹.同樣,溫度升高有利于提高催化劑活性和電化學(xué)反應(yīng)速率,但如果電池溫度持續(xù)升高,會(huì)導(dǎo)致膜含水量下降,造成電池性能和零部件壽命不可逆衰減.空冷燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中,保證最優(yōu)的陽(yáng)極條件[3]、陰極風(fēng)速[4]等運(yùn)行參數(shù)控制是實(shí)現(xiàn)電池內(nèi)部良好水熱狀態(tài)、提高電池性能的關(guān)鍵.現(xiàn)有參數(shù)控制策略[5-8]開(kāi)發(fā)大多基于燃料電池外部輸出測(cè)試結(jié)果,如極化曲線.然而,在空冷電池中多物理場(chǎng)互相耦合,電流[9]、溫度[10]、濕度[11]等關(guān)鍵物理量都存在不均勻分布現(xiàn)象,傳統(tǒng)的測(cè)試方法只能給出電池整體性能,對(duì)電池內(nèi)部真實(shí)水熱狀態(tài)的反映不足,無(wú)法有效揭示運(yùn)行條件變化對(duì)性能的影響機(jī)理.因此,全面了解運(yùn)行過(guò)程中空冷電池的內(nèi)部狀態(tài),掌握運(yùn)行參數(shù)對(duì)空冷電池性能的影響規(guī)律顯得尤為必要.

近幾年來(lái),印刷電路板(Printed Circuit Board, PCB)技術(shù)發(fā)展成為支撐燃料電池內(nèi)部參數(shù)測(cè)量的重要手段.在表面覆銅的環(huán)氧樹(shù)脂板上設(shè)計(jì)一定數(shù)量電氣隔離的分區(qū),每個(gè)分區(qū)中預(yù)置傳感器,能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池內(nèi)部不同物理量的分布式原位測(cè)量.國(guó)內(nèi)外學(xué)者們已經(jīng)針對(duì)液體冷卻型燃料電池的各種物理量開(kāi)展了不同分區(qū)數(shù)量和測(cè)試精度的PCB實(shí)驗(yàn)研究[12-14].然而,空氣冷卻型燃料電池結(jié)構(gòu)與液體冷卻型燃料電池相差較大,電池內(nèi)部物理量分布規(guī)律顯著不同,受運(yùn)行參數(shù)影響的機(jī)制仍不明確.因此,有必要通過(guò)PCB原位測(cè)試對(duì)空冷型燃料電池開(kāi)展反應(yīng)狀態(tài)分析與運(yùn)行參數(shù)研究.

本文研制了電流、溫度同時(shí)檢測(cè)的多層復(fù)合PCB測(cè)試板,開(kāi)發(fā)了空冷型金屬極板燃料電池電堆反應(yīng)狀態(tài)的原位測(cè)試裝置,實(shí)現(xiàn)空冷電池運(yùn)行中內(nèi)部溫度和電流密度分布的在線實(shí)時(shí)測(cè)量.基于該測(cè)試裝置,研究氫氣出口脈排間隔、氫氣入口氣壓、陰極風(fēng)速對(duì)空冷電池內(nèi)部反應(yīng)狀態(tài)的影響規(guī)律,提出空冷電池穩(wěn)態(tài)運(yùn)行下最佳的運(yùn)行參數(shù),為空冷電池的控制策略設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ).

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用包含3節(jié)單電池的空冷電堆,如圖1(a)所示.其中金屬雙極板(K-01,上海治臻?)材料為不銹鋼,陽(yáng)極流道為蜿蜒流道,陰極流道為直流道,槽寬2 mm,脊寬2 mm,流道深度1.7 mm,雙極板表面鍍有非晶碳涂層.膜電極組件由涂覆Pt/C催化劑的質(zhì)子交換膜(M735.18,GORE-SELECT?)和氣體擴(kuò)散層(H24C5,FREUDENBERG?)組成,陰陽(yáng)極鉑載量分別為0.4、0.1 mg/cm2,有效反應(yīng)面積為20 cm×5 cm.PCB測(cè)試板設(shè)置在第2節(jié)單電池陰陽(yáng)極板之間,電堆由端板、絕緣集流板、單電池、PCB測(cè)試板等部件串聯(lián)疊裝而成.

設(shè)計(jì)的PCB測(cè)試板如圖1(b)所示.測(cè)試板測(cè)量區(qū)包括4個(gè)導(dǎo)電層,相鄰導(dǎo)電層之間絕緣.頂層導(dǎo)電層直接與空冷電池極板接觸,劃分為18個(gè)電氣隔離的分區(qū),每個(gè)分區(qū)大小為29 mm×17 mm;中間兩層為測(cè)量層;底層為不分區(qū)的整片覆銅導(dǎo)電層.頂層與底層表面均進(jìn)行鍍金處理以減小接觸電阻對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響[15].

圖2 空冷燃料電池實(shí)驗(yàn)平臺(tái)Fig.2 Experimental platform for air-cooled fuel cells

測(cè)試板工作原理如圖1(c)所示.其中,第2層溫度測(cè)量的原理是導(dǎo)電銅線電阻與溫度存在線性關(guān)系;UIn為第n個(gè)分區(qū)分流電阻兩端壓降.每個(gè)分區(qū)中熱敏電阻的阻值均為1 Ω,將所有分區(qū)的熱敏電阻串聯(lián),外部恒流源為回路提供一個(gè)穩(wěn)定的直流信號(hào),即I=0.2 A,測(cè)量熱敏電阻兩端壓降即可得到分區(qū)溫度值,即

(1)

式中:T為待測(cè)溫度;T0為標(biāo)定溫度;α為銅的電阻溫度系數(shù),為0.4%;UT為待測(cè)溫度下熱敏電阻壓降;UT0為溫度為T0時(shí)熱敏電阻壓降,需逐一標(biāo)定.

第3層電流測(cè)量層內(nèi)布置有分流電阻,分流電阻兩端分別連接到測(cè)試板頂層與底層,分區(qū)電流密度由分流電阻兩端壓降計(jì)算得到.考慮到溫度對(duì)電流測(cè)量層中銅導(dǎo)線的電阻值也會(huì)產(chǎn)生影響,需要結(jié)合分區(qū)溫度的測(cè)量結(jié)果進(jìn)行實(shí)時(shí)修正.計(jì)算方法如下:

(2)

式中:In為待測(cè)分區(qū)電流;R為分流電阻,約為2 mΩ.

在實(shí)驗(yàn)之前,利用水浴方法和單分區(qū)導(dǎo)電校正方法[15]對(duì)定制加工的PCB測(cè)試板進(jìn)行標(biāo)定,發(fā)現(xiàn)溫度測(cè)量結(jié)果與水浴溫度差值在±0.5 ℃以內(nèi),電流測(cè)量結(jié)果與外加電流誤差在±0.5%以內(nèi),證明PCB板運(yùn)行良好,測(cè)量結(jié)果準(zhǔn)確.

1.2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試平臺(tái)

搭建空冷型燃料電池平臺(tái)開(kāi)展實(shí)驗(yàn),如圖2所示.空冷電池安裝在測(cè)試臺(tái)上.氫氣通過(guò)減壓閥調(diào)整進(jìn)氣壓力后提供給燃料電池,氫氣出口連接電磁閥,排氣時(shí)間和排氣間隔時(shí)間由電磁閥控制器設(shè)置.兩個(gè)并聯(lián)的直流風(fēng)扇提供負(fù)壓,將環(huán)境空氣吸入電池陰極,風(fēng)扇由可編程電源(IT6723C,ITECH)供電,上位機(jī)連接控制器通過(guò)脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation, PWM)調(diào)節(jié)風(fēng)扇轉(zhuǎn)速,利用熱線風(fēng)速儀(DT8880,CEM)測(cè)量陰極入口風(fēng)速.上位機(jī)通過(guò)通用串行總線(Universal Serial Bus, USB)控制電子負(fù)載,燃料電池輸出功率由電子負(fù)載(IT8816,ITECH)調(diào)節(jié),電子負(fù)載工作模式設(shè)定為恒流模式.

實(shí)驗(yàn)中,環(huán)境溫度保持為293 K,濕度保持為60%.分別在不同平均電流密度、氫氣出口脈排間隔、氫氣入口壓力、陰極入口風(fēng)速下測(cè)試空冷電池輸出性能以及內(nèi)部溫度和電流密度分布.實(shí)驗(yàn)參數(shù)設(shè)置為:平均電流密度200、500 mA/cm2;脈排間隔時(shí)間0、10、30、60 s;氫氣入口壓力30、40、50、60 kPa;陰極入口風(fēng)速3.7、4.6、5.5 m/s.

PCB測(cè)試板連接到具有降噪與信號(hào)放大功能的多通道數(shù)據(jù)記錄儀(GL840,GRAPHTEC),將測(cè)量結(jié)果發(fā)送到計(jì)算機(jī),采集到的數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)使用MATLAB編碼的數(shù)據(jù)處理軟件進(jìn)行處理.實(shí)驗(yàn)中,在設(shè)定的運(yùn)行條件下穩(wěn)定運(yùn)行15 min后,記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),每組實(shí)驗(yàn)重復(fù)3次.

2 結(jié)果與分析

針對(duì)空冷燃料電池開(kāi)展PCB原位實(shí)驗(yàn),分析溫度和電流密度在單體電池內(nèi)的分布情況,進(jìn)一步研究氫氣出口脈排間隔、氫氣入口氣壓、陰極風(fēng)速對(duì)電池水熱狀態(tài)的影響規(guī)律.

2.1 空冷燃料電池的內(nèi)部狀態(tài)分析

設(shè)置氫氣入口氣壓為50 kPa,出口電磁閥每間隔10 s排氣0.5 s,控制風(fēng)扇保證電堆溫度不超過(guò)50 ℃,測(cè)得實(shí)驗(yàn)用空冷電堆性能如圖3所示,在 500 mA/cm2負(fù)載電流密度下單電池平均輸出電壓為0.629 V,電堆平均溫度約為42 ℃.圖中:J為電流密度;U為電池輸出電壓.

圖3 空冷電堆極化曲線Fig.3 Polarization of air-cooled stack

進(jìn)一步,分別在平均電流密度200、500 mA/cm2兩種工況下進(jìn)行測(cè)試,電池內(nèi)溫度與電流密度分布情況如圖4所示,其中氫氣和空氣的流動(dòng)方向如箭頭所示.對(duì)比兩種工況下的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn),隨著空冷電池負(fù)載電流提高,電池內(nèi)溫度和電流分布不均勻的問(wèn)題不斷加劇.因?yàn)殡S著負(fù)載電流提高,電池過(guò)電位提高,產(chǎn)熱增加,與環(huán)境溫差變大,邊緣區(qū)域直接向環(huán)境輻射散熱更多,電池內(nèi)溫度分布不均勻性進(jìn)一步提高,而溫度會(huì)影響催化劑活性和水氣傳輸速度,電流密度分布不均勻的問(wèn)題也隨之加劇.

圖4 不同負(fù)載下的溫度與電流密度分布Fig.4 Temperature and current density distribution at different loads

實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,在空冷電池中,溫度和電流存在嚴(yán)重不均勻分布問(wèn)題.如圖4(b)所示,當(dāng)平均電流密度為500 mA/cm2時(shí),空冷電池內(nèi)溫度分布極差達(dá)到20 ℃,標(biāo)準(zhǔn)差為7.9 ℃,電流密度分布極差超過(guò)400 mA/cm2,標(biāo)準(zhǔn)差為142 mA/cm2,其中空氣出口位置中間區(qū)域的溫度和電流密度最高.在x軸方向上,邊緣區(qū)域由于向環(huán)境輻射散熱,溫度遠(yuǎn)低于中間區(qū)域;電流密度的分布規(guī)律與溫度相似,空氣出口位置中間區(qū)域局部電流密度超過(guò)700 mA/cm2.在y軸方向上,區(qū)域溫度沿空氣流動(dòng)方向升高,而電流密度的變化梯度相對(duì)不明顯,這是因?yàn)榭绽潆姵氐妮敵鲂阅苁芏嘁蛩赜绊?一方面,沿空氣流動(dòng)方向溫度提高,有利于性能提高;另一方面,沿空氣流動(dòng)方向,氣體中的氧濃度降低,不利于反應(yīng)的進(jìn)行,在溫度變化和氧濃度變化的共同作用下,電流密度的分布在y軸方向上的變化梯度相對(duì)不顯著.

2.2 氫氣出口脈排間隔影響

設(shè)置氫氣入口氣壓為50 kPa,對(duì)比平均電流密度為500 mA/cm2時(shí)空冷電池在不同脈排間隔下的輸出電壓,如圖5所示.隨著間隔時(shí)間從0 s,即氫氣出口常開(kāi),增加到60 s,空冷電池的輸出性能逐漸下降,當(dāng)氫氣出口按照60 s/0.5 s的周期脈排時(shí),電池性能急劇惡化,單電池輸出電壓下降約15%.

圖5 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同脈排間隔下輸出電壓Fig.5 Output voltage of different pulse intervals at a load of 500 mA/cm2

圖6為不同脈排間隔下電流密度分布測(cè)試結(jié)果.對(duì)于空冷電池來(lái)說(shuō),隨著陰極電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行,在催化層會(huì)生成大量水,導(dǎo)致陰陽(yáng)極兩側(cè)出現(xiàn)水濃度差.其中一部分水通過(guò)反滲透進(jìn)入陽(yáng)極流道中;當(dāng)氫氣出口保持常開(kāi)時(shí),陽(yáng)極流道中的液態(tài)水被隨時(shí)吹出,但氫氣利用率很低,隨著間隔時(shí)間增加,出口區(qū)域電流密度減小,入口區(qū)域密度增大,當(dāng)間隔時(shí)間增加到60 s(見(jiàn)圖6(c))時(shí),空冷電池陽(yáng)極出口位置堵水嚴(yán)重,性能急劇惡化,電流密度分布均勻性變差.

圖6 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同脈排間隔下電流密度分布Fig.6 Current density distribution of different pulse intervals at a load of 500 mA/cm2

氫氣脈排可以避免液態(tài)水在電池陽(yáng)極積累,脈排過(guò)程中水、氣波動(dòng)大,空冷電池各個(gè)分區(qū)電流密度出現(xiàn)相應(yīng)波動(dòng).圖7為脈排間隔時(shí)間設(shè)置為30 s時(shí)脈排瞬間電池內(nèi)電流密度波動(dòng)情況.圖中:t為時(shí)間;x、y表示雙極板在2個(gè)方向的位置.由圖可見(jiàn),在氫氣脈排瞬間,靠近氫氣入口的區(qū)域(見(jiàn)圖7(b))由于反應(yīng)氣氣壓下降,氣體擴(kuò)散變?nèi)?電流密度瞬間向下階躍;靠近氫氣出口的區(qū)域(見(jiàn)圖7(a))由于排除了流道內(nèi)積水,性能回升,電流密度瞬間向上階躍,這種現(xiàn)象與陽(yáng)極流道中液態(tài)水積聚在氫氣出口區(qū)域[11]有關(guān).

圖7 空冷電池內(nèi)電流密度波動(dòng)情況Fig.7 Fluctuations of current density in air-cooled fuel cells

統(tǒng)計(jì)不同脈排間隔下分區(qū)電流密度的階躍值,如圖8所示.隨脈排間隔時(shí)間增加,陽(yáng)極出口積水更多,分區(qū)電流密度波動(dòng)變大,性能恢復(fù)時(shí)間也更長(zhǎng),當(dāng)脈排間隔達(dá)到60 s時(shí),空冷電池內(nèi)部局部電流密度階躍梯度接近60 mA/cm2,很容易造成局部欠氣、電池反極失效等嚴(yán)重后果.

圖8 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同脈排間隔下電流密度階躍值Fig.8 Variation of the current density of different pulse intervals at a load of 500 mA/cm2

結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得出,每次排氣0.5 s時(shí),脈排間隔時(shí)間應(yīng)設(shè)置為10～30 s, 可以避免流道內(nèi)嚴(yán)重積水,防止局部電流密度階躍過(guò)大.

2.3 氫氣入口氣壓影響

設(shè)置氫氣出口脈排間隔時(shí)間為10 s,圖9為不同氫氣入口氣壓pin下空冷電池的極化曲線.圖10為500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同氫氣入口氣壓下的電流密度.圖9中,隨著入口氣壓從30 kPa提高到60 kPa,空冷電池輸出性能不斷提高;尤其將氣壓從30 kPa提高到40 kPa時(shí),電池性能顯著提高;平均電流密度為500 mA/cm2時(shí),單電池輸出電壓提高25 mV.

圖9 不同氫氣入口氣壓下極化曲線Fig.9 Polarization at different H2 input pressures

空冷電池在500 mA/cm2的平均電流密度穩(wěn)態(tài)運(yùn)行時(shí),不同氫氣入口氣壓下電流密度分布測(cè)試結(jié)果如圖10(a)～10(c)所示.當(dāng)入口氣壓從30 kPa提高到40 kPa,如圖10(d),氫氣出口區(qū)域電流密度增大,入口區(qū)域電流密度減小.這是因?yàn)樵?0 kPa的入口氣壓下,陽(yáng)極排除積水能力不足,在氫氣出口區(qū)域會(huì)出現(xiàn)液態(tài)水積聚,導(dǎo)致出口區(qū)域電流密度較低.入口氣壓提高到40 kPa時(shí),出口積水問(wèn)題改善,出口區(qū)域性能提高,局部電流密度增大,而整個(gè)電池平面內(nèi)平均電流密度保持不變,因此入口區(qū)域電流密度減小,空冷電池內(nèi)電流密度分布均勻性更好.當(dāng)氣壓從40 kPa 繼續(xù)提高時(shí),如圖10(e)所示,氣壓提高對(duì)電池性能分布均勻性的改善不明顯.

圖10 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同氫氣入口氣壓下電流密度分布Fig.10 Current density distribution at different H2 input pressures at a load of 500 mA/cm2

統(tǒng)計(jì)不同入口氣壓下分區(qū)電流密度的階躍值,如圖11所示.由圖可見(jiàn),隨著氫氣入口氣壓增大,脈排瞬間強(qiáng)制對(duì)流驅(qū)動(dòng)力增大,液態(tài)水排除效果更好,分區(qū)電流密度波動(dòng)減小.

圖11 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同氫氣入口氣壓下電流密度階躍值Fig.11 Variation of the current density at different H2 input pressures at a load of 500 mA/cm2

綜上所述,氫氣入口氣壓的提高有利于提升空冷電池輸出性能、均勻性和穩(wěn)定性.但相較于從 30 kPa 提高到40 kPa 帶來(lái)的明顯改善,入口氣壓從 40 kPa 繼續(xù)提高改善不明顯.

圖12 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同陰極入口風(fēng)速下輸出電壓Fig.12 Output voltages at different wind speeds at a load of 500 mA/cm2

圖13 500 mA/cm2負(fù)載時(shí)不同風(fēng)速下溫度和電流密度分布Fig.13 Temperature and current density distribution at different wind speeds at a load of 500 mA/cm2

2.4 陰極風(fēng)速影響

陰極風(fēng)速對(duì)空冷電池的性能有重要影響,在500 mA/cm2的平均電流密度下分別以入口風(fēng)速3.7 m/s 的“低風(fēng)速”、入口風(fēng)速4.6 m/s 的“中風(fēng)速”、入口風(fēng)速5.5 m/s 的“高風(fēng)速”進(jìn)行實(shí)驗(yàn),3種風(fēng)速下電池輸出電壓如圖12所示.當(dāng)陰極入口風(fēng)速為 4.6 m/s 時(shí),電池輸出性能最好,單電池平均輸出電壓為0.633 V,風(fēng)速過(guò)高或者過(guò)低都會(huì)導(dǎo)致電池輸出性能下降.

空冷電池內(nèi)溫度與電流密度分布測(cè)試結(jié)果如圖13(a)～13(c)所示,沿極板對(duì)角線方向均勻選取11個(gè)位置,對(duì)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行采樣,不同風(fēng)速下溫度和電流密度測(cè)量結(jié)果如圖13(d)～13(e)所示.由圖可見(jiàn),隨著風(fēng)速增大,空冷電池內(nèi)整體溫度不斷下降,且中間區(qū)域降溫幅度大,邊緣區(qū)域溫度變化小.另一方面,在電池中心區(qū)域,電流密度隨風(fēng)速提高先升后降,這是因?yàn)轱L(fēng)速低時(shí)中間區(qū)域局部溫度高,而風(fēng)速過(guò)高時(shí)生成水被吹走,導(dǎo)致質(zhì)子膜含水量下降,性能下降.圖13(f)為不同風(fēng)速下平均溫度、溫度分布標(biāo)準(zhǔn)差和電流密度分布標(biāo)準(zhǔn)差.由圖可見(jiàn),提高風(fēng)速可以減小中間區(qū)域與邊緣區(qū)域的溫度差距,改善溫度分布均勻性,但電流密度分布均勻性卻降低.

3 結(jié)論

開(kāi)發(fā)了空冷型PEMFC內(nèi)部溫度和電流密度的原位測(cè)量裝置,揭示關(guān)鍵運(yùn)行參數(shù)對(duì)電池內(nèi)溫度和電流密度分布的影響規(guī)律,得出以下結(jié)論:

(1) 受輻射散熱和空氣吸熱能力影響,空冷電池空氣出口位置和電池中間區(qū)域溫度和電流密度較高,空氣入口位置和電池邊緣區(qū)域溫度和電流密度較低.

(2) 減小出口脈排間隔或增大氫氣入口氣壓可以提高氫氣出口區(qū)域溫度和電流密度,改善分布均勻性;同時(shí)促使陽(yáng)極積水排除更徹底,減小區(qū)域電流密度波動(dòng),提高性能穩(wěn)定性.

(3) 降低風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致空冷電池局部溫度過(guò)高,溫度均勻性差;而過(guò)高的風(fēng)速會(huì)使電池整體溫度過(guò)低,同時(shí)生成水被吹走,質(zhì)子膜含水量下降,電流密度均勻性下降.

(4) 為保證空冷電池的良好運(yùn)行,當(dāng)空冷電池在500 mA/cm2的平均電流密度下穩(wěn)態(tài)工作時(shí),氫氣入口氣壓要達(dá)到40 kPa以上,在每次排氣 0.5 s 時(shí),出口脈排間隔時(shí)間應(yīng)設(shè)置為10～30 s,理想陰極入口風(fēng)速為4～5 m/s.