基于反应状态原位测试的空冷型燃料电池运行参数分析
Operation Parameters of Air-Cooled Fuel Cell Based on In-Situ Testing of Reaction State
通讯作者: 邱殿凯,副教授;E-mail:diankaiqiu@sjtu.edu.cn.
责任编辑: 王历历
收稿日期: 2022-08-19 修回日期: 2022-11-12 接受日期: 2022-12-8
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Received: 2022-08-19 Revised: 2022-11-12 Accepted: 2022-12-8
作者简介 About authors
陈敏学(1998-),硕士生,从事空冷燃料电池控制策略研究.
空冷型质子交换膜燃料电池内部反应状态是影响电池输出性能和稳定性的关键因素.通过研制空冷燃料电池反应状态的原位测试装置,实现电池温度和电流密度的实时测量,揭示氢气出口脉排间隔、氢气入口气压和阴极风速对电池性能的影响机制.研究表明:空冷电池中温度和电流密度分布不均,平均电流密度为500 mA/cm2时,电池内温度极差达到20 ℃,电流密度极差达到400 mA/cm2.氢气出口脉排间隔越短、入口气压越大,氢气出口区域性能越好,分布均匀性越好,电流密度波动也越小,输出稳定性提高.如果阴极风速过低,电池局部温度高,温度分布均匀性降低;风速过高则导致生成水被吹走,质子膜含水量下降,电流密度分布均匀性变差.
关键词:
The internal reaction state of air-cooled proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) is the key factor affecting the output performance and stability of the cell. By developing an in-situ testing device for the reaction state of air-cooled fuel cell, the real-time measurement of cell temperature and current density is realized, and the influence mechanism of hydrogen outlet pulse interval, hydrogen inlet pressure and cathode wind speed on the performance of the cell is revealed. The results show that the distribution of temperature and current density in air-cooled cells is uneven. The temperature difference can reach 20 °C, and the current density difference reaches 400 mA/cm2 when the average current density is 500 mA/cm2. As the interval between pulses decreases and the inlet pressure increases, the performance of the hydrogen outlet area and the uniformity of the distribution increase, which can reduce the fluctuation of current density in the cells and improve output stability. If the cathode wind speed is too low, the temperature in central areas is high, and the temperature distribution uniformity is reduced. However, excessive wind speed causes the generating water to be blown away. The water content of the proton exchange membrane thus decreases, and the uniformity of the current density distribution deteriorates.
Keywords:
本文引用格式
陈敏学, 邱殿凯, 彭林法.
CHEN Minxue, QIU Diankai, PENG Linfa.
水热状态是影响PEMFC性能的关键因素.一方面,膜电极需要有足够的水分才能保证良好的质子传导性能;另一方面,反应生成的液态水需要及时排除,避免电极水淹.同样,温度升高有利于提高催化剂活性和电化学反应速率,但如果电池温度持续升高,会导致膜含水量下降,造成电池性能和零部件寿命不可逆衰减.空冷燃料电池系统运行过程中,保证最优的阳极条件[3]、阴极风速[4]等运行参数控制是实现电池内部良好水热状态、提高电池性能的关键.现有参数控制策略[5⇓⇓-8]开发大多基于燃料电池外部输出测试结果,如极化曲线.然而,在空冷电池中多物理场互相耦合,电流[9]、温度[10]、湿度[11]等关键物理量都存在不均匀分布现象,传统的测试方法只能给出电池整体性能,对电池内部真实水热状态的反映不足,无法有效揭示运行条件变化对性能的影响机理.因此,全面了解运行过程中空冷电池的内部状态,掌握运行参数对空冷电池性能的影响规律显得尤为必要.
本文研制了电流、温度同时检测的多层复合PCB测试板,开发了空冷型金属极板燃料电池电堆反应状态的原位测试装置,实现空冷电池运行中内部温度和电流密度分布的在线实时测量.基于该测试装置,研究氢气出口脉排间隔、氢气入口气压、阴极风速对空冷电池内部反应状态的影响规律,提出空冷电池稳态运行下最佳的运行参数,为空冷电池的控制策略设计奠定基础.
1 实验方法
1.1 实验装置设计
实验采用包含3节单电池的空冷电堆,如图1(a)所示.其中金属双极板(K-01,上海治臻®)材料为不锈钢,阳极流道为蜿蜒流道,阴极流道为直流道,槽宽2 mm,脊宽2 mm,流道深度1.7 mm,双极板表面镀有非晶碳涂层.膜电极组件由涂覆Pt/C催化剂的质子交换膜(M735.18,GORE-SELECT®)和气体扩散层(H24C5,FREUDENBERG®)组成,阴阳极铂载量分别为0.4、0.1 mg/cm2,有效反应面积为20 cm×5 cm.PCB测试板设置在第2节单电池阴阳极板之间,电堆由端板、绝缘集流板、单电池、PCB测试板等部件串联叠装而成.
图1
测试板工作原理如图1(c)所示.其中,第2层温度测量的原理是导电铜线电阻与温度存在线性关系;
式中:T为待测温度;T0为标定温度;α 为铜的电阻温度系数,为0.4%;UT为待测温度下热敏电阻压降;
第3层电流测量层内布置有分流电阻,分流电阻两端分别连接到测试板顶层与底层,分区电流密度由分流电阻两端压降计算得到.考虑到温度对电流测量层中铜导线的电阻值也会产生影响,需要结合分区温度的测量结果进行实时修正.计算方法如下:
式中:In为待测分区电流;R为分流电阻,约为2 mΩ.
在实验之前,利用水浴方法和单分区导电校正方法[15]对定制加工的PCB测试板进行标定,发现温度测量结果与水浴温度差值在±0.5 ℃以内,电流测量结果与外加电流误差在±0.5%以内,证明PCB板运行良好,测量结果准确.
1.2 实验测试平台
搭建空冷型燃料电池平台开展实验,如图2所示.空冷电池安装在测试台上.氢气通过减压阀调整进气压力后提供给燃料电池,氢气出口连接电磁阀,排气时间和排气间隔时间由电磁阀控制器设置.两个并联的直流风扇提供负压,将环境空气吸入电池阴极,风扇由可编程电源(IT6723C,ITECH)供电,上位机连接控制器通过脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation, PWM)调节风扇转速,利用热线风速仪(DT8880,CEM)测量阴极入口风速.上位机通过通用串行总线(Universal Serial Bus, USB)控制电子负载,燃料电池输出功率由电子负载(IT8816,ITECH)调节,电子负载工作模式设定为恒流模式.
图2
实验中,环境温度保持为293 K,湿度保持为60%.分别在不同平均电流密度、氢气出口脉排间隔、氢气入口压力、阴极入口风速下测试空冷电池输出性能以及内部温度和电流密度分布.实验参数设置为:平均电流密度200、500 mA/cm2;脉排间隔时间0、10、30、60 s;氢气入口压力30、40、50、60 kPa;阴极入口风速3.7、4.6、5.5 m/s.
PCB测试板连接到具有降噪与信号放大功能的多通道数据记录仪(GL840,GRAPHTEC),将测量结果发送到计算机,采集到的数据由计算机使用MATLAB编码的数据处理软件进行处理.实验中,在设定的运行条件下稳定运行15 min后,记录实验数据,每组实验重复3次.
2 结果与分析
针对空冷燃料电池开展PCB原位实验,分析温度和电流密度在单体电池内的分布情况,进一步研究氢气出口脉排间隔、氢气入口气压、阴极风速对电池水热状态的影响规律.
2.1 空冷燃料电池的内部状态分析
设置氢气入口气压为50 kPa,出口电磁阀每间隔10 s排气0.5 s,控制风扇保证电堆温度不超过50 ℃,测得实验用空冷电堆性能如图3所示,在 500 mA/cm2 负载电流密度下单电池平均输出电压为0.629 V,电堆平均温度约为42 ℃.图中:J为电流密度;U为电池输出电压.
图3
进一步,分别在平均电流密度200、500 mA/cm2两种工况下进行测试,电池内温度与电流密度分布情况如图4所示,其中氢气和空气的流动方向如箭头所示.对比两种工况下的测试结果发现,随着空冷电池负载电流提高,电池内温度和电流分布不均匀的问题不断加剧.因为随着负载电流提高,电池过电位提高,产热增加,与环境温差变大,边缘区域直接向环境辐射散热更多,电池内温度分布不均匀性进一步提高,而温度会影响催化剂活性和水气传输速度,电流密度分布不均匀的问题也随之加剧.
图4
图4
不同负载下的温度与电流密度分布
Fig.4
Temperature and current density distribution at different loads
实验结果显示,在空冷电池中,温度和电流存在严重不均匀分布问题.如图4(b)所示,当平均电流密度为500 mA/cm2时,空冷电池内温度分布极差达到20 ℃,标准差为7.9 ℃,电流密度分布极差超过400 mA/cm2,标准差为142 mA/cm2,其中空气出口位置中间区域的温度和电流密度最高.在x轴方向上,边缘区域由于向环境辐射散热,温度远低于中间区域;电流密度的分布规律与温度相似,空气出口位置中间区域局部电流密度超过700 mA/cm2.在y轴方向上,区域温度沿空气流动方向升高,而电流密度的变化梯度相对不明显,这是因为空冷电池的输出性能受多因素影响:一方面,沿空气流动方向温度提高,有利于性能提高;另一方面,沿空气流动方向,气体中的氧浓度降低,不利于反应的进行,在温度变化和氧浓度变化的共同作用下,电流密度的分布在y轴方向上的变化梯度相对不显著.
2.2 氢气出口脉排间隔影响
设置氢气入口气压为50 kPa,对比平均电流密度为500 mA/cm2时空冷电池在不同脉排间隔下的输出电压,如图5所示.随着间隔时间从0 s,即氢气出口常开,增加到60 s,空冷电池的输出性能逐渐下降,当氢气出口按照60 s/0.5 s的周期脉排时,电池性能急剧恶化,单电池输出电压下降约15%.
图5
图5
500 mA/cm2负载时不同脉排间隔下输出电压
Fig.5
Output voltage of different pulse intervals at a load of 500 mA/cm2
图6
图6
500 mA/cm2负载时不同脉排间隔下电流密度分布
Fig.6
Current density distribution of different pulse intervals at a load of 500 mA/cm2
图7
图7
空冷电池内电流密度波动情况
Fig.7
Fluctuations of current density in air-cooled fuel cells
统计不同脉排间隔下分区电流密度的阶跃值,如图8所示.随脉排间隔时间增加,阳极出口积水更多,分区电流密度波动变大,性能恢复时间也更长,当脉排间隔达到60 s时,空冷电池内部局部电流密度阶跃梯度接近60 mA/cm2,很容易造成局部欠气、电池反极失效等严重后果.
图8
图8
500 mA/cm2负载时不同脉排间隔下电流密度阶跃值
Fig.8
Variation of the current density of different pulse intervals at a load of 500 mA/cm2
结合实验结果可以得出,每次排气0.5 s时,脉排间隔时间应设置为10~30 s, 可以避免流道内严重积水,防止局部电流密度阶跃过大.
2.3 氢气入口气压影响
图9
图10
图10
500 mA/cm2负载时不同氢气入口气压下电流密度分布
Fig.10
Current density distribution at different H2 input pressures at a load of 500 mA/cm2
空冷电池在500 mA/cm2的平均电流密度稳态运行时,不同氢气入口气压下电流密度分布测试结果如图10(a)~10(c)所示.当入口气压从30 kPa提高到40 kPa,如图10(d),氢气出口区域电流密度增大,入口区域电流密度减小.这是因为在30 kPa的入口气压下,阳极排除积水能力不足,在氢气出口区域会出现液态水积聚,导致出口区域电流密度较低.入口气压提高到40 kPa时,出口积水问题改善,出口区域性能提高,局部电流密度增大,而整个电池平面内平均电流密度保持不变,因此入口区域电流密度减小,空冷电池内电流密度分布均匀性更好.当气压从40 kPa 继续提高时,如图10(e)所示,气压提高对电池性能分布均匀性的改善不明显.
统计不同入口气压下分区电流密度的阶跃值,如图11所示.由图可见,随着氢气入口气压增大,脉排瞬间强制对流驱动力增大,液态水排除效果更好,分区电流密度波动减小.
图11
图11
500 mA/cm2负载时不同氢气入口气压下电流密度阶跃值
Fig.11
Variation of the current density at different H2 input pressures at a load of 500 mA/cm2
综上所述,氢气入口气压的提高有利于提升空冷电池输出性能、均匀性和稳定性.但相较于从 30 kPa 提高到40 kPa 带来的明显改善,入口气压从 40 kPa 继续提高改善不明显.
2.4 阴极风速影响
阴极风速对空冷电池的性能有重要影响,在500 mA/cm2的平均电流密度下分别以入口风速3.7 m/s 的“低风速”、入口风速4.6 m/s 的“中风速”、入口风速5.5 m/s 的“高风速”进行实验,3种风速下电池输出电压如图12所示.当阴极入口风速为 4.6 m/s 时,电池输出性能最好,单电池平均输出电压为0.633 V,风速过高或者过低都会导致电池输出性能下降.
图12
图12
500 mA/cm2负载时不同阴极入口风速下输出电压
Fig.12
Output voltages at different wind speeds at a load of 500 mA/cm2
空冷电池内温度与电流密度分布测试结果如图13(a)~13(c)所示,沿极板对角线方向均匀选取11个位置,对测试结果进行采样,不同风速下温度和电流密度测量结果如图13(d)~13(e)所示.由图可见,随着风速增大,空冷电池内整体温度不断下降,且中间区域降温幅度大,边缘区域温度变化小.另一方面,在电池中心区域,电流密度随风速提高先升后降,这是因为风速低时中间区域局部温度高,而风速过高时生成水被吹走,导致质子膜含水量下降,性能下降.图13(f)为不同风速下平均温度、温度分布标准差和电流密度分布标准差.由图可见,提高风速可以减小中间区域与边缘区域的温度差距,改善温度分布均匀性,但电流密度分布均匀性却降低.
图13
图13
500 mA/cm2负载时不同风速下温度和电流密度分布
Fig.13
Temperature and current density distribution at different wind speeds at a load of 500 mA/cm2
3 结论
开发了空冷型PEMFC内部温度和电流密度的原位测量装置,揭示关键运行参数对电池内温度和电流密度分布的影响规律,得出以下结论:
(1) 受辐射散热和空气吸热能力影响,空冷电池空气出口位置和电池中间区域温度和电流密度较高,空气入口位置和电池边缘区域温度和电流密度较低.
(2) 减小出口脉排间隔或增大氢气入口气压可以提高氢气出口区域温度和电流密度,改善分布均匀性;同时促使阳极积水排除更彻底,减小区域电流密度波动,提高性能稳定性.
(3) 降低风速会导致空冷电池局部温度过高,温度均匀性差;而过高的风速会使电池整体温度过低,同时生成水被吹走,质子膜含水量下降,电流密度均匀性下降.
(4) 为保证空冷电池的良好运行,当空冷电池在500 mA/cm2的平均电流密度下稳态工作时,氢气入口气压要达到40 kPa以上,在每次排气 0.5 s 时,出口脉排间隔时间应设置为10~30 s,理想阴极入口风速为4~5 m/s.
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质子交换膜燃料电池具有无污染、噪声低、能量密度高、燃料转换效率高、响应速度快的显著优点,得到了迅速发展,但寿命仍然是制约其大规模商业化的重要原因。局部电流密度作为质子交换膜燃料电池运行过程中的重要参数,既能作为电池运行过程中的故障诊断和定位工具,提升电池运行的稳定性和和耐久性;又能提供电池运行期间其内部现象的有关信息,为深入理解电池反应机理以及优化电池设计提供有力指导,因此研究局部电流密度具有非常重要的意义。本文介绍并分析了实时原位测量局部电流密度的方法,比较了前人实验所得结果与模拟所得结果,阐述了相关参数对局部电流密度分布的影响机制,回顾并评析了局部电流密度用于燃料电池分析中的实际工作。最后,立足于局部电流密度的研究现状,给出了局部电流密度下一步的研究方向。
Current density distribution characteristics and research prospect of proton exchange membrane fuel cells
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<p id="C2">Proton exchange membrane fuel cell(PEMFC) is being paid to special attention around the world duo to their zero pollution, low noise, high energy density, high efficiency and fast response, thus it is developing rapidly in recent years. However, the lifespan of PEMFC vehicle is an important issue that restricts its commercialization. Local current density is an important parameter during the operation of PEMFC, which can be used as the fault diagnosis and positioning tool, improving the operation durability and stability of PEMFC. Moreover, the internal information of an operating PEMFC can be also revealed by the local current density, providing comprehensive understanding of the reaction mechanism and guidance for the optimization design of PEMFC. In consequence, it is of great importance for the thorough and comprehensive research of the local current density. In this paper, the methods for the in-situ and real-time measurement of the local current density are introduced and analyzed, and the results obtained by previous experiments and numerical simulation are compared. The effect of operation parameters on local current density have been summarized in detail and the applications of local current density in fuel cell analysis are reviewed. Finally, the development tendency is proposed based on the research progress of this topic.</p> <div class="mag_zhaiyao_sec"><strong class="mag_zhaiyao_title">Contents </strong><p id="C4" class="mag_zhaiyao_p">1 Introduction</p><p id="C5" class="mag_zhaiyao_p">2 Research methods of the local current density</p><p id="C6" class="mag_zhaiyao_p">2.1 Methods for the in-situ and real-time measurement of the local current density</p><p id="C7" class="mag_zhaiyao_p">2.2 Numerical Simulation of the local current density</p><p id="C8" class="mag_zhaiyao_p">2.3 Factors affecting the local current density distribution</p><p id="C9" class="mag_zhaiyao_p">3 Applications of the local current density</p><p id="C10" class="mag_zhaiyao_p">4 Conclusions and outlook</p></div>
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