闭口质子交换膜燃料电池温度分布特性研究.pdf

2023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计收稿日期：2023-01-22作者简介：马棒棒(1996)，男，河南省人，硕士研究生，主要研究方向为质子交换膜燃料电池。通信作者：裴后昌，E-mail:闭口质子交换膜燃料电池温度分布特性研究马棒棒1，涂正凯2，裴后昌1(1.武汉轻工大学 机械工程学院，湖北 武汉 430048；2.华中科技大学 能源与动力工程学院，湖北 武汉 430074)摘要：热管理对质子交换膜燃料电池性能、寿命和稳定运行起着重要作用。通过设置热电偶，对闭口质子交换膜燃料电池的温度分布特性进行了实验研究。结果显示，闭口质子交换膜燃料电池内温度最高点位于阴极流道出口段。同时，对闭口电池发生水淹现象时的温度分布进行了研究，结果显示，电池温度低于50 时，发生水淹时电池内热点位于阴极出口段；当电池运行温度超过50 时，随着电池运行温度的升高，热点的位置由阴极出口处向进口处移动。关键词：燃料电池；温度分布；水淹中图分类号：TM 911文献标识码：A文章编号：1002-087 X(2023)07-0906-04DOI:10.3969/j.issn.1002-087X.2023.07.018Temperature distribution characteristics of dead-end proton exchangemembrane fuel cellsMA Bangbang1,TU Zhengkai2，PEI Houchang1(1.School of Mechanical Engineering，Wuhan Polytechnic University,Wuhan Hubei 430048,China;2.Huazhong University of Science and Technology,Wuhan Hubei 430074,China)Abstract:Thermal management plays an important role in the performance,life and stable operation of protonexchange membrane fuel cells.The temperature distribution characteristics of dead-end proton exchange membranefuel cell were experimentally studied by setting thermocouples.The results show that the highest temperature islocated at the outlet section of the cathode channel in the dead-end PEMFC.At the same time,the temperaturedistribution of the dead-end cell was studied when it is flooded.The results show that when the cell temperature islower than 50,the hot spot in the cell is located at the cathode outlet section when it is flooded.When the operatingtemperature of the battery exceeds 50,with the increasing of the operating temperature of the cell,the position ofthe hot spot moves from the cathode outlet section to the inlet section.Key words:PEMFC;temperature distribution;water flooding质 子 交 换 膜 燃 料 电 池(proton exchange membrane fuelcell,PEMFC)具有功率密度高、无排放、工作噪音小、运行温度低、红外线发射强度小，被公认是一种优秀的动力电源1。闭口质子交换膜燃料电池采用纯氢、氧作为反应气体，可应用于密闭空间。由于闭式燃料电池阴阳级采用全闭口形式，电池运行时易造成“热点”及“水淹”，从而导致电池失效，良好的水热管理是全闭口燃料电池稳定运行的关键2。质子交换膜燃料电池最佳运行温度不超过 100，电池内过大温差会导致性能和耐久性下降，降低 MEA的使用寿命，过高温度会造成膜电极脱水影响电池性能，严重时，会影响到电池的安全性，电池运行温度过低又会导致电池内催化剂不能达到其最佳活性3-5。因此，了解单个燃料电池的温度分布至关重要6-7。现阶段对常规开口燃料电池研究较多，但关于全闭口质子交换膜燃料电池的研究较少，因此，本文以闭口燃料电池为研究对象，实验研究了不同工况下闭口燃料电池温度分布的特性，为燃料电池堆的优化设计和稳定运行提供参考。1 实验装置及系统图 1(a)为本实验所采用的单电池。单电池由石墨流场板、冷却水流场板、镀金集流板、PC绝缘板以及膜电极组成。流场板采用直流道，冷却水流场板与流场板形成冷却水流道，可以通过冷却水来控制电池的运行温度。单电池两端有收集电流的镀金集流板以及绝缘且耐高温的PC板(聚碳酸酯板)。单电池所采用的流道规格及膜电极参数如表 1 所示。图1实验单电池9062023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计由于质子交换膜燃料电池电化学反应生成的水和热主要在阴极侧产生，实验中，阴阳极出口为全封闭，每一组实验结束后用氮气将所生成的水排出电池。为监测电池在不同工况下的运行温度，在电池阴极侧布置了 15个 T型热电偶，其分布如图1(b)所示。图 2为闭口 PEMFC测试系统图，主要由闭口单电池、燃料供气系统、负载和数据采集系统构成。温度采集利用Agilent 34970A 型数据采集仪，燃料电池测试设备为群羿公司提供的 FC 850e，该设备可以精确控制实验中各种操作参数，包括电池负载、反应气体的温度 和相对湿度、气体流量或 过量 系 数、电 池 的工 作 温 度 等。实 验 中 反应 气 体 为99.999%纯度氢气和氧气，氮气是作为实验前后吹扫电池内杂质的作用。燃料电池在实验前，经过充分活化，保证实验时的性能。闭口燃料电池在测试时，流道与重力方向保持一致，生成的水依靠液滴自身重力排出电池外，进入液态水收集容器中。当一组实验结束后，用氮气对阴阳极的流道进行充分吹扫，将流道内残余的水分排出电池。测试中，当电压出现急剧下降时，测试系统断开负载，保护电池。2 结果与讨论2.1 闭口电池输出性能图3为闭口电池在不同电池温度下的极化曲线和电化学阻抗谱。从图3(a)中看出，在不同的电池温度下，开路电压基本一致。在不同温度下，当工作电流密度小于400 mA/cm2时，电池的输出性能相差不大；当工作电流密度超过600 mA/cm2时，电池输出电压出现明显差异。这是因为当燃料电池采用闭口方式运行时，工作电流密度增大容易造成电池内发生水聚集，增大水管理难度，从而导致电池性能发生变化。从图3(a)中还可以发现，当电池运行温度在4070 时，闭口电池50 时输出电压最高。这是因为，当电池温度较低时，电池内催化剂不能达到其最佳活性，电池输出电压较低。随着电池温度的升高，催化剂活性提高，电池性能出现上升。但是，随着电池温度进一步提高，流道内的气态水含量增加，电池内反应气体浓度下降，增大了浓差极化。通过图 3(b)可以看出，电池温度在 4060 欧姆阻抗没有发生太大变化，其值约为2.3 m，在70 时欧姆阻抗增加到2.9 m，欧姆阻抗的上升会导致电池内阻增大，因此会导致电池性能下降；此外随着闭口电池内温度上升，内部气态水含量会增大，反应物浓度降低，增大了浓差极化。因此，电池温度上升至70，电池性能出现了下降。2.2 闭口燃料电池温度分布图4为闭口燃料电池的温度变化示意图。从图中可以看出，当电池温度为50 时，工作电流密度为400 mA/cm2时，电池内温度在49.553 之间；当工作电流密度为 800 mA/cm2时，电池内温度在 49.554.3 之间；当电池温度升至 70 时，电池内温度在 7177 之间。相同电池温度时，当工作电流密度由 400 mA/cm2升高至 800 mA/cm2时，电池内温差由 3.5 增加到 4.8。这是因为随着电流密度的增大，电表 1 电池几何参数 参数 数值 活性面积/m2 7510-4 气体扩散层的厚度/m 2.510-4 质子交换膜的厚度/m 2.510-5 催化层的厚度/m 110-5 流道宽度/m 210-3 流道岸宽度/m 210-3 流道深度/m 110-3 图2闭口PEMFC测试系统图3不同电池温度下闭口燃料电池性能(气体压力50 kPa)9072023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计池内发热量及生成水的速率均增加，此时电池内易发生局部水的聚集而造成电流密度分布不均匀，从而导致电池内温度分布不均，造成温差变大。当工作电流密度为 800 mA/cm2，电池温度由50 增加至70 时，电池内温差由4.8 增加到6。电池温度越高，电池内温差值变大，且温差波动也较大。图5为不同操作条件下闭口电池内的温度分布图。从图中可以看出，不同工况下，电池上部进气区域温度低于电池底部预期，最低温度位于电池气体入口处，最高温度趋近于电池下部出口监测点11处。这是因为电池通入气体后膜电极上电化学反应并产生的热量被气体推送到出口的方向，从而流道入口处的温度相对后段温度较低。而在流道出口位置，温度逐渐下降，这是由于气体流道出口反应气体浓度变低，反应不够充足，使得反应强度下降，所以温度出现略微下降。图4不同工况闭口燃料电池温度分布(气体压力50 kPa)图5闭口燃料电池热点分布(气体压力50 kPa)2.3 闭口燃料电池水淹温度分布特性闭口燃料电池在测试时，若电池电压由于水淹导致输出电压出现快速下降，测试系统将出现保护性停机，避免破坏电池。图6为闭口燃料电池的停机温度变化示意图。当工作电流密度保持在 1 000 mA/cm2，电池温度低于 60 时，系统保护停机时间约为35 min左右，当电池温度为 70 时，系统保护停机时间延长至47 min。这是因为随着电池运行温度的提高，电池内液态水更容易转变为气态水，避免水的局部聚集造成水淹现象发生。同时，可以从图6(d)中看出，测温点11的温度值在35 min左右下降明显，说明此时电池下部的出口9082023.7Vol.47No.7研 究 与 设 计处已经积累了液态水，但是此时电池还能正常运行。电池在水淹停机时的温度分布如图7所示。从图中可以看出，当电池温度为40、50 时，最高温度点出现在出口区域的测温点11。当电池运行温度升高后，电池内最高温度点位于进口端的测温点 5、6。随着电池温度的升高，温度热点上移至入口处。从图中还可以看出，测温点 11、13、14、15在停机的末期发生了较大的变化，相对水淹之前的温度，都出现了温度降低。其原因可能为，随着闭口电池的运行，电池内所生成的水越来越多，所生成的液态水，会由入口至流道出口处，发生水淹8，此时该区域没有反应气体参与反应，因此温度出现降低。3 结论质子交换膜燃料电池热管理对其稳定运行至关重要，通过对全闭口燃料电池阴极设置热电偶，研究了不同工况下电池的温度分布特性。本实验研究了不同工作温度、工作电流密度以及电池水淹条件下电池内温度分布特性，其主要结论如下：(1)闭口电池在不同温度运行时，50 的输出性能最好。(2)闭口电池正常运行时，阴极出口区域温度较高。电池内温差随电流密度的增大而升高。(3)电池温度的升高降低了闭口燃料电池内发生水淹的几率，同时由于水淹导致的系统保护性停机时间变长。(4)在闭口燃料电池水淹过程中，电池温度在 40和 50 时，温度热点位置始终在阴极出口处；电池温度在60和70 时，温度热点随着停机水淹过程由阴极出口处向进口处移动。参考文献：1SHEN J,TU Z K,CHAN S H.Performance enhancement in aproton exchange membrane fuel cell with a novel 3D flow fieldJ.Applied Thermal Engineering,2020,164:114464.2HASHIMURA S,MINAMI R,TAMADA Y,et al.Effect of MPLproperties on temperature and liquid water distribution in a GDLJ.ECS Transactions,2017,80(8):145-153.3GHASEMI M,RAMIAR A,RANJBAR A A,et al.A numericalstudy on thermal analysis and cooling flow fields effect on PEMFCperformanceJ.International Journal of Hydrogen Energy,2017,42(38):24319-24337.4曹颂阳.空冷PEM 燃料电池电堆输出功率与水热特性研究D.广州：华南理工大学,2019.5ZHANG Q G,TONG Z M,TONG S G,et al.Research on low-temperature heat exchange performance of hydrogen preheatingsystem for PEMFC engineJ.International Journal of HydrogenEnergy,2020,45(55):30966-30979.6CHOI E J,PARK J Y,KIM M S.A comparison of 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