空冷型質子交換膜燃料電池水熱管理的研究現狀

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部，重慶 401122；2.上海交通大學燃料電池研究所，上海 200240)

1 空冷型質子交換膜燃料電池概述

質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)具有工作溫度低(通常不超過80 ℃)、功率密度高、響應速度快等優點[1-2]，已經被應用在汽車、熱電聯產等領域，是最有前景的一種燃料電池。

燃料電池在發生電化學反應的同時會產生廢熱，廢熱需要通過換熱介質被及時帶出，否則會破壞燃料電池的運行工況，從而使燃料電池的發電性能下降。對于質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 的系統結構復雜，需要各種輔助設備[3]，這包括空壓機、增濕器、液體冷卻回路及控溫裝置等。因此，這些輔助設備增加了系統的寄生功率和成本。為了簡化燃料電池系統設計的復雜性、降低成本，陰極開放式結構的空冷型PEMFC[4]開始受到關注。由圖1 可見，空冷型PEMFC 的陰極流場既是電化學反應的場所，又是冷卻通道；與此同時，氫氣不經增濕升溫直接進入陽極流場。因此，空冷型PEMFC 系統無需復雜的輔助部件，從而降低了系統的成本、質量和體積。

圖1 空冷型PEMFC 的結構示意圖

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

目前對于空冷型PEMFC 電堆的結構設計以及對于空冷型PEMFC 動力系統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象卻沒有得到足夠的重視，該現象是：當空冷型PEMFC 電堆連續運行幾個小時之后，其單電池的平均電壓的下降速率可以達到幾mV/h 這個數量級[9-11]。Hu 等[12]分析了這一現象，如圖2所示。通過對電堆伏安曲線進行線性擬合，發現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。這一現象說明，空冷型PEMFC 的輸出性能很不穩定，而電池的輸出性能與其內部的水熱管理關系密切。由此可見，優化空冷型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，本文將對于現有空冷型PEMFC 的水熱管理研究進行論述和分析，在此基礎上為該研究方向提出一些建設性的研究思路。

2 空冷型質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，而空氣的比熱容遠小于液體(如液態水、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生“過熱”的現象。因此，相比于液冷型PEMFC，空冷型PEMFC的水熱管理更復雜。2.1～2.3 節將介紹空冷型PEMFC 的熱管理、水管理及其優化措施。

2.1 空冷型質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、電流密度之間的關系，該研究發現45 ℃是空冷型PEMFC 的最佳工作溫度。Rosa 等[16]詳細地考察了空氣流量對空冷型PEMFC 性能的影響，其研究結果表明，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，從而緩解了質子交換膜的“干涸”現象。然而，上述研究工作是基于穩態的運行工況，而沒有考慮電堆溫度的瞬態響應特性。為此，Jian 等[17]對電堆施加階躍負載，基于此研究了空冷型電堆的溫度響應特性，并且詳細分析了溫度和電流密度對瞬態響應的影響。其結果表明，在初始階段，局部溫度是影響電堆熱響應的關鍵因素；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了。以上研究定性地評估溫度對電堆瞬態響應特性的影響，為了準確地測量空冷型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，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，電堆內外之間的溫差也顯著增大；空氣流動方向、電池內部的液態水分布也會影響溫度的分布情況。這項研究直觀、詳細地分析了空冷型PEMFC 溫度的動態特性，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)技術的電流和溫度分布測量裝置，揭示了空冷型PEMFC 電堆內部的電流密度和溫度的分布情況。其研究發現，當電堆運行在低電流密度(460 mA/cm2)的時候，電堆最高溫度出現在陽極入口和陰極出口的交叉區域；當電堆運行在高電流密度(930 mA/cm2)的時候，最高溫度出現在電堆中間、靠近陰極出口的位置。

基于計算流體力學(CFD)，建立空冷型PEMFC 的數學模型，對電池內溫度分布進行研究的方法也被廣泛應用。Shahsavari 等[20]基于空冷型PEMFC 單電池的三維數值模型，分析其熱傳遞的過程，并給出了電池內部的溫度仿真分布圖，見圖3。其研究結果表明：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空冷型PEMFC 冷卻裝置的設計，而且該模型還可以被擴展用于電堆的研究，因此后續很多研究是以該模型為基礎分析并優化了空冷型PEMFC 傳熱特性的。Strahl 等[21]的仿真研究也發現了空冷型PEMFC 的溫度梯度要遠大于水冷型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雜的仿真研究。D'Souza 等[22]基于數值模型研究了由80 片單電池組成的空冷型PEMFC 電堆的溫度場和空氣速度場，其仿真結果表明，電堆中大約70%的單電池的溫度分布規律是一致的；風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，該模型的仿真區域既包含空冷型PEMFC 電堆也包括環境空氣。結果表明：風扇的功率越大，電堆的性能越好，這是因為風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。空冷型PEMFC電堆利用風扇提供強制對流空氣，因此風扇對電堆的性能以及熱管理具有非常關鍵的作用，Sasmito 等[24]采用同一個模型進一步研究了風扇數量、風扇的型號對空冷型PEMFC 電堆的影響，其研究結果表明，采用離心式風扇的電堆比采用軸流式風扇的電堆的性能更好；電堆采用2 個30 W 的風扇比采用一個60 W 的風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”和“吹風”兩種進氣方式對空冷型PEMFC 電堆性能和散熱能力的影響，其仿真結果表明，采用“吹風”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，導致其性能降低。

2.2 空冷型質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，干燥氫氣不經增濕直接進入陽極進行電化學反應；在電池陰極側，開放式的陰極流場使得進入電堆的空氣濕度與環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，其陰極側的空氣化學計量比會遠遠大于常規液冷型電堆的空氣化學計量比(通常為2～4)，達到幾十[15]至幾百[20]的數量級。在如此低的陽極濕度、如此高的陰極化學計量比的操作條件下運行，按照常理推測電池內部不會有液態水產生，但是，當使用中子成像技術后，Meyer 等[26]觀察到了空冷型PEMFC 內部的液態水隨時間和空間的分布規律。其研究發現，當電池工作在500 mA/cm2的時候，陰極擴散層內部出現了明顯的水淹現象；而當電流密度增大到670 mA/cm2，甚至在陽極擴散層也出現比較嚴重的水淹現象。該研究在空冷型PEMFC 領域具有重大意義，它首次揭示了空冷型PEMFC內部也會有比較嚴重的水淹現象存在。為了更準確地揭示空冷型PEMFC 的水傳遞過程，Fink 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 電堆中質子交換膜含水量、水的凈通量以及催化層內水蒸氣濃度的分布情況。其研究發現，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周期性分布。這一現象與Zhao 等[28]的仿真研究結果相吻合，即空冷型PEMFC 的水淹現象主要出現在陰極“筋”下方；相鄰的“流道”和“筋”下方的質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容：即膜內部存在較大的周期性的機械應力，對于這一機械應力進一步深入分析，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聯，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 空冷型質子交換膜燃料電池水熱管理的優化措施研究

通過優化流場結構或設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定性。例如，Baik 等[29-30]開發一種多孔結構(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，而且相比于常規的空冷型PEMFC 雙極板，多孔結構的雙極板可以更好地排出液態水。因此，采用MHS 結構的空冷型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化電池熱管理。其研究發現：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，導致歐姆阻抗增大。此外，Sasmito 等[32]提出一種“邊緣冷卻”的結構，即將散熱翅片安裝在空冷型PEMFC電堆的外側，空氣流經翅片的時候可以帶走電堆中產生的熱量，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]將蒸發室(vapor champer)嵌入空冷型PEMFC 電堆中，這種蒸發室是由兩塊厚度為0.2 mm 的銅板焊接在一起，其中采用燒結的銅粉形成毛細管結構，與一般的空冷型電堆相比，采用蒸發室的電堆的輸出功率提升了10%；電堆內部的溫度場分布更加均勻，溫度梯度變得更小；蒸發室可以帶走大約50%的廢熱。

上述空冷型PEMFC 水熱管理的優化研究是基于單電池或者電堆的本體結構進行的，其設計思路主要是通過設計新型流場結構或者在空冷型PEMFC 電堆上使用新型冷卻裝置。而在實際應用中，電堆往往要和氫氣瓶、風扇、控制電路等部件協同工作，因此，對燃料電池系統控制進行優化，有助于改善水熱管理對輸出性能的影響。Strahl 等[34]將模型和實驗相結合，考察了溫度對空冷型PEMFC 系統性能的影響，并設計了最優控制策略。其研究發現：電堆溫度最依賴交換電流密度這一參數；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節至某個值從而獲得電堆電壓的最大值。Ou 等[35]以系統性能最優化為目標，提出了一種控制策略，可以將空氣流量控制在某個最優值，該值可以保證空冷型PEMFC 系統輸出最大的凈功率，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 系統的濕度控制和溫度控制，設計了多輸入多輸出(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，具體體現在控制反應速度快、溫度波動小。此外，游志宇等[37]通過對實驗數據的擬合，獲得了電堆最佳工作溫度的經驗公式，在此基礎上考察了幾種控制方法對空冷型PEMFC 負載變化的響應特性。其研究發現：自適應模糊PID 溫度控制在電堆溫度控制和風扇控制等方面具有明顯優勢，其有利于提升空冷型PEMFC 的輸出性能、延長電堆使用壽命。

3 結論

空冷型質子交換膜燃料電池結構緊湊、簡單輕便，在無人機等小功率的應用場合具有廣闊的前景。但是，空冷型PEMFC 長時間工作的穩定性遠遠不如傳統的液冷型PEMFC，這是因為空冷型PEMFC 的水熱管理更復雜。關于空冷型PEMFC 水熱管理的研究，有以下四個重要結論：

(1)空氣流量對空冷型PEMFC 的水熱管理具有至關重要的作用。空氣流量太小，電池會出現過熱現象；空氣太大，電池內部的水淹現象嚴重。因此，必須將空氣流量控制在某一個合適的范圍內；

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

(3)可以通過優化流場的結構設計來改善電池散熱、將膜的含水量保持在一定范圍內、提高電池內部氣體分布的均勻性；

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

4 展望

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

(1)揭示空冷型PEMFC 內部液態水在陽極和陰極側隨時間的動態分布規律。雖然已經有研究人員分析了空冷型PEMFC 在穩定工作狀態下的液態水分布情況，但是電池在實際運行的時候必然會經歷啟動、停機以及負載變化等復雜工況，從微觀上揭示液態水的動態變化規律有利于從宏觀上優化空冷型PEMFC 的動態特性；

(2) 分析空冷型PEMFC 穩態運行過程中，質子交換膜內部的應力分布情況。文獻[29]的研究結論表明，空冷型PEMFC 穩定運行時，在陰極“筋”下方和在陰極“流道”下方的質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 穩定運行過程中膜的應力分布情況，從而為優化質子交換膜、膜電極以及流場的設計提供指導；

(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液態水，液態水覆蓋了部分陽極催化層區域，因此會在陽極催化層中產生局部缺氫的現象，在局部缺氫的區域內由于有從陰極通過膜擴散而來的氧氣的存在，因此在陽極缺氫區域會發生氧氣的還原反應，見式(1)；而與陽極缺氫區域相對應的陰極區域電位升高，陰極催化劑的碳載體發生氧化反應,見式(2)，從而使陰極催化劑發生腐蝕而失效，其原理如圖4[38]所示。

圖4 質子交換膜燃料電池陽極局部缺氫的原理和相關反應[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、空間的衰減規律。

綜上所述，揭示空冷型PEMFC 內部液態水動態分布規律、分析質子交換膜的應力分布以及空冷型PEMFC 陰極催化劑的衰減機制，并在此基礎上提出優化設計和運行的方案，可能是空冷型質子交換膜燃料電池研究的重要方向。