單體PEMFC電壓分布與風扇流速功耗平衡分析

朱星光,陳唐龍,韓 明

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

質子交換膜燃料電池(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流擴散型和強迫對流型。選擇冷卻方法要依據不同的運行條件和工況要求。空氣冷卻法更簡單,但隨著電池的增大,很難保證將整個體系保持在同樣的溫度,冷卻空氣需要占用通道,使電堆體積遠遠大于實際所需。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。在實際的系統應用中,影響冷卻方式選擇的一個重要原因在于“將產生的熱用于何處”。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利用,如在小型家用熱電聯供系統中,使用水冷系統則更好,因為熱量在水中比在空氣中更容易轉移并得到應用[1]。

有許多關于PEMFC的外部特性及內部機理的研究。L.Yongtaek等[2]利用電荷耦合器件(CCD)相機對燃料電池內部的流道進行考察,研究了電池內部的水交換情況,重點是水在質子交換膜兩端的流動和在陰陽兩極的集聚,對燃料電池性能的影響。M.Ciureanu等[3]通過對燃料電池的阻抗響應研究,提出了液態水在陰極的聚集是導致極限電流密度的主要原因。W.C.Choi等[4]研究證明:在一個排水周期內,水蒸氣會先形成水滴,隨著反應的進行最終形成連續的水流,積累在流道出口。如果采用風扇系統進行空氣冷卻,那么陰極的水很快就會被帶走。

1 原理分析

PEMFC電堆內部進行電化學反應,氫氣在陽極被離子化,釋放出電子并產生氫離子(質子)。在陰極,氧氣結合電極上的電子和電解質中的氫離子,形成水。

在PEMFC中,質子交換膜的膜電阻與含水量密切相關[5]。為了保證膜的含水量維持在適宜的水平,通常需要對反應氣體進行增濕。對小型PEMFC系統而言,體積和緊湊性至關重要,輔助系統應最大程度地簡單化。為了除去增濕系統,一個可行的方案是采用自增濕型質子交換膜。這種膜即使在反應氣不增濕的情況下,仍能達到較適宜的濕度[1]。

2 實驗

實驗用PEMFC電堆由淡馬錫理工學院清潔能源研究中心自制(見圖1),屬空氣冷卻強迫對流型,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)構成。雙極板的一面為封閉的陽極流場,使進入電池的氫氣與大氣隔絕;另一面為開放式陰極流場,空氣可以流過,為電池提供氧氣并起冷卻作用。

圖1 實驗用PEMFC結構示意圖Fig.1 The structure of PEMFC for experiment

圖2為實驗系統設備連接結構框圖。

圖2 實驗系統設備連接結構框圖Fig.2 Structure diagram of experimental system

氫氣由儲氣庫經輸氣管道供給。在PEMFC電堆后方安裝風扇,以強迫空氣流過陰極。電堆陽極氫氣的出口,裝有一個LHDA0533115H型電磁閥(Lee公司產),用來排氣。采用PLZ1004W型可編程電子負載(Kikusui公司產)調節電池的輸出,功率最高可達1 000 W,電壓、電流變化范圍分別為 15～150 V和0～200 A,電子負載與電腦相連,可監控、記錄電池的運行參數,同時顯示U-t、I-t、P-t曲線。用GPC-3030型直流電源(Instek公司產)為控制電路板和風扇供電。氫氣采用單端進氣方式供應,入口的壓力為0.4×105Pa,實驗室環境溫度為22℃,空氣濕度為47.8%,外部電子負載工作在恒電壓(CV)模式。

3 結果與討論

3.1 電池電壓測試

進行電池電壓測試時,在電堆的后方平行安裝兩臺DC Brushless Model FFB0412UHN型直流風扇(Delta公司產)。

3.1.1 開路單體電池電壓測試

單體電池的開路電壓是電池性能的一項重要指標,通過這一數據可判斷電池的均勻性是否符合要求[5]。

開路電壓測試的步驟為:通入氫氣→啟動風扇→陽極排氣3次→待電池電壓穩定→逐一測量單體電池的開路電壓。

經測定,電堆的開路電壓為32.04 V,對應的單體電池平均開路電壓為0.937 V。

單體電池開路電壓的分布見圖3。

圖3 單體電池開路電壓的分布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號和第28號單體電池的電壓明顯低于其相鄰的兩只單體電池,是由于質子交換膜中存在局部的微小熱點。靠近電池陽極氫氣入口的單體電池,比遠離陽極的單體電池電壓略高。

燃料電池在運行過程中,越靠近陽極氫氣入口,氫氣所消耗的比例越小,而隨著電池內部反應的進行,當氫氣傳質到出口時,因為燃料消耗導致氫氣濃度最低,氫氣分壓減小,而產物水的比例則逐漸增加。

根據能斯特(Nernst)方程[5]可知:氫氣分壓(PH2)減小而水蒸氣分壓(PH2O)增大,將使電動勢下降,因此,靠近陽極氫氣進氣口的單體電池,電壓比遠離氫氣進氣口的單體電池略高。

3.1.2 不同負載單體電池電壓測試

分別為電堆加上不同的恒壓負載,得到每一只單體電池的電壓分布,結果見圖4。

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

從圖4可知:隨著負載的增加(即負載電壓的降低),單體電池電壓的變化幅度越來越大,均勻性逐漸降低。由于對外輸出功率的提高,電壓降低、電流增大,電池內部電化學反應產生的水逐漸增多,不能及時排出,集聚在個別單體電池的質子交換膜中,產生“水淹”現象,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載條件下會出現相同的性質,如第10和第18只單體電池,均表現出了偏高的電壓特性,而第11、19和31只單體電池則表現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律相近,可推斷該電堆的這些單體電池具有相似的性質。這對于定位性能欠佳的單體電池位置并進行改進和提高,具有重要的意義。

3.2 風扇系統流速與損耗平衡分析

燃料電池所使用的風扇系統是一種離心式鼓風機,主要有“前曲式”和“后曲式”兩種類型。它們的名稱與葉片的設計有關,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境,但流速低。本文作者選擇的3種不同的風扇,全部都是“前曲式”葉片。

定義一個冷卻系統的效能(ηC)如下[5]:

式(1)中:Hout是熱量移出的比速,Pcon是風扇系統消耗的功率。

從實驗可知,在風扇系統中空氣的流速和消耗的功率間存在著一個平衡,更高的流速可改善熱交換的程度,但要增加風扇系統的功率消耗。這個平衡既可保證電池性能符合設計運行要求,又可起到散熱冷卻的作用,保證電堆運行安全,延長電堆使用壽命。

為了研究風扇系統的流速與功耗的平衡,測量了各風扇系統在不同電壓下通過燃料電池陰極的空氣流速、流量。3種風扇系統為:方案 a,1臺DC Brushless Model FFB0412UHN風扇;方案b,2臺首尾相接方式組裝的DC Brushless Model FFB0412UHN風扇;方案c,1臺San Ace40 9CRA0412P4J03風扇(Sanyo Denki公司產)。實驗結果見圖5。

圖5 不同風扇系統不同電壓下流速、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:隨著風扇系統電壓的下降,產生的通過燃料電池陰極的空氣流速和流量會下降,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,原因在于當風扇電壓減小時,除去風扇驅動力減小導致的流速下降,流過陰極的空氣中的氧氣在電池內部被消耗,也會使流速和流量下降,而電堆的輸出功率帶有一定的滯后性,空氣流量的下降對輸出功率的影響,并不會馬上表現出來,只有當空氣流量進一步下降時,電池才會因內部電化學反應產生的熱量無法被及時帶走,使性能下降。

用1臺風扇和2臺風扇組成的系統,消耗的功率符合數量上的差別,即1臺風扇消耗的功率是2臺風扇所消耗的一半,而流速的變化并不符合這種數量上的差別,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Nernst方程和式(1)可知,系統的效率更多地取決于空氣流通路徑的設計及當它通過時空氣升高的溫度,而不是風扇轉子的性能。

圖5中,流速曲線與功率曲線相交的點,是電堆風扇系統流速與功耗的平衡點。

3種方案的平衡點數據見表1。

表1 3種風扇系統方案的平衡點數據T able 1 Equilibrium point data of 3 kinds of fan system scheme

應根據電池所需要的輸出功率大小選擇風扇系統。從表1可知,在小功率輸出時,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;當電池需要大功率輸出時,方案a可能會使空氣流量過小,導致電池性能下降,因此選擇方案b更合適。

4 結論

對單體電池電壓的考察,不僅可檢測單體電池電壓分布的均勻性,判斷電堆是否符合設計要求,也可在負載運行條件下通過某幾只單體電池的電壓,推斷出機械性質或極化程度的優劣,對更好地改進和設計高性能電堆具有重要意義。

在陽極封閉式操作條件下,電池內部電化學反應生成的水會由于難以及時排出,而在某些單體電池的質子交換膜上集聚,產生“水淹”效應,造成電池性能的衰減,長時間運行,會使電池壽命縮短。

流過燃料電池陰極的空氣流速和風扇系統功耗之間存在一個平衡,更高的流速可改善熱交換的程度,但要增加風扇系統的功耗。應該根據燃料電池不同的性能要求和應用工況,對風扇系統進行綜合選擇,以達到輸出性能和系統效率的優化。

通過建模、仿真、控制策略和實驗,進一步改善PEMFC內部的水熱管理、提高燃料電池性能、燃料利用率和系統整體效率是今后的研究方向。

[1]YI Bao-lian(衣寶廉).燃料電池——原理·技術·應用[M].Beijing(北京):Science Press(科學出版社),2005.20-33.

[2]Yongtaek L,Bosung K,Yongchan K.An experimental study on water transport through the membrane of a PEFC operating in the dead-end mode[J].Int J Hydrogen Energy,2009,34(18):7 768-7 779.

[3]Ciureanu M,Roberge R.Electrochemical impedance study of PEM fuel cells-experimental diagnosis and modeling of air cathodes[J].J Phys Chem B,2001,105(17):3 531-3 539.

[4]Choi W C,Hwang Y,Cha S W,et al.Experimental study on enhancing the fuel efficiency of an anodic dead-end mode polymer electrolyte membrane fuel cell by oscillating the hydrogen[J].Int J Hydrogen Energy,2010,35(22):12 469-12 479.

[5]James L,Andrew D.Fuel Cell System Explained(Second Edition)[M].Chichester:John Wiley&Sons,2003.22-24.

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