质子交换膜燃料电池性能热管理研究概述

2021年11月8日汽车技术评论228阅读模式
质子交换膜燃料电池的性能对温度非常敏感,温度能够直接影响燃料电池内部水成分的运输,同时也会影响质子交换膜气体的渗透性;另外温度还将对催化剂的活性、燃料气体的扩散及“水淹”现象产生显著影响,对燃料电池温度管理的研究能够有益于提升质子交换膜燃料电池性能的提升。
质子交换膜燃料电池系统主要由以下几个部分组成:PEMFC反应堆、氢气供给系统、空气供给系统、水热管理系统和控制系统等。热管理系统作为决定电池性能好坏和效率高低的关键之一,主要作用是将电池内多余的热量散出,让整个系统处于热平衡状态,从而使电池处于最佳的运行工况。
目前对质子交换膜燃料电池热管理的研究有很多,主要包括温度对燃料电池运行特性的影响、电池内部热量来源的分析、电池内部温度的分布规律、对电池温度的控制等。而这方面的研究手段也非常多变,除了传统的试验方法,还有借助于数理工具对燃料电池进行静态或动态建模,研究燃料电池内与温度相关的问题,最终达到优化参数控制的目的等。总之,研究范围相对广泛。

试验研究

在文献中,与温度相关的报道屡见不鲜。王文东[2]以 Nafion®112质子交换膜燃料电池(PEMFC)为对象,通过测量电池工作的“电流-电压”、“电流-功率”和“电压-时间”曲线,研究温度等条件对电池性能的影响,以电池的能量转换效率及短期运行时的稳定性为反馈,最终得出了电池较佳的工作温度条件;而谢晋[3]同样通过实验的手段,在分析温度、湿度参数对电池影响的基础上,还进一步探讨了控制PEMFC温度、湿度参数的方法;Faysal Tiss[4]等则提出结合相应的动态方程去研究一些运行参数(如负载、气体压力、输入气体的温度)的瞬时改变对燃料电池的影响,得出影响电池运行的主要因素是负载以及工作温度;Mozhdeh Noorkami[5]也直接指出温度是电池运行时的一个重要影响因素,水的运输直接受到温度的影响,温度能影响电解质中质子的流动、极板中水的流入和流出,甚至能改变水淹的倾向;Aboubakr M.Abdullah[6]在研究中得出结论,温度梯度与观察到的性能的燃料电池相关。通过文献查阅发现,电池的性能和耐久性受温度的影响十分明显,在一定范围内,当电池温度升高时,电池的性能将得到提高。此外,温度还对催化剂的活性(活性提高,反应速率加快)、燃料气体的扩散(改善气体传质)、质子交换膜内水分的扩散(膜电阻将减小、电导率增大)均有一定的影响;并且适当提高温度还有利于阴极反应生成水的排出,从而改善电池的水淹现象。
也有文献报道,气体增湿温度对燃料电池的性能有着影响,主要体现在对PEMFC阴极流道内液态水分布及排水的问题上,这一点马海鹏[7]指出,随着增湿温度的升高,存水区域是由流道下部向进口扩展的。
此外,温度也能影响质子交换膜气体的渗透性。叶东浩[8]在一定实验条件下,利用质量流量计测出渗透气体的渗透量,找出不同电池温度条件下,氢气渗透通量与相对湿度的关系,发现提高温度和阴阳极两侧气体的压力之差均能导致了膜的渗透性增加,而且氢、氧渗透量随温度的升高近乎呈指数增加。由上可见,温度对燃料电池性能的影响是巨大的。为提高燃料电池的运行性能,就必须对温度这一因素做出细致的研究。我们知道,温度是热量的物理表现形式,电池内部的热源主要来源于两个部分:第一个是由电化学反应直接或者间接产生的热量,这部分热量主要包含电化学反应产生的热量、活化极化产生的热量、欧姆极化热和浓差极化热等。
另一部分是电池运行过程中,一些必不可少的举措所带来的热量变化,比如反应气体加湿所带入的热量、冷却过程中冷却介质带走的热量、排出的气体或者生成的水带走的热量以及与周围环境所发生的热辐射和热交换等[9]
这些热量的产生与转化伴随着整个电池的反应过程,共同决定着电池的运行特性,同时也在电池的热管理系统中担当着重要的角色,并为电池创造了一个最佳的工作温度范围,电池只有处于此温度范围内时,才能行使最佳的运行工况,如果电池温度过低,将导致电极内的极化现象加剧,输出电压降低,从而使电池性能恶化;如果温度过高,将导致电池膜脱水、收缩甚至破裂,强度会有一定的降低,而且燃料气体中的水蒸气分压会升高,造成稀释反应气体的浓度,最严重时,会造成质子交换膜的失水的问题。因此,维持良好的运行温度是维持电池内部的电化学反应能够正常运行和质子交换膜能够长期稳定工作的重要条件之一。不过,要实现对温度的精确控制,除了了解前文提到的热量来源外,还必须对温度的分布规律、对温度的影响和对温度的处理控制等方面有着充分的认识。
关于温度分布方面,通过文献查阅,裴后昌[10]以 氢 氧燃料电池为例,通过将微型热电偶置于阴极流场进行温度检测的手段,得出电池堆内最高温度位于电池堆出口处,并指出随着电流密度的增大,各单电池的温差越大,同时,电池堆中各单电池间温差也越来越大。简弃非[11]对交指 型流场结构的质子交换膜燃料电池的温度分布进行了研究, 对交指型流场结构的质子交换膜燃料电池在电池横贯方向、阳极催化层、膜中心和阴极催化层进行了计算分析,得出了温度分布规律。马富存[12]侧重于研究温度沿膜厚方向的分布情况,经过对PEMFC一维温度物理场的计算,得出PEMFC内部沿膜厚方向的温度分布接近于线性分布。此外,一些国外的学者也对燃料电池内的温度分布做了很多的研究,如Alex[13,14]对单 电池的可视化进行研究,指出了水淹区域温度和未水淹区域温度高低情况;O.E.Herrera[15]等人在研究中指出,当电池处于干燥条件下时,由于不均匀的反应速率以及水相的变化,不同的电流密度通过活性区域时,将导致一维平面上出现一定的温度梯度,而这种不均匀温度分布会导致质子交换膜和电极的降解,从而使电池性能下降;Sang-Kun Lee[16]
等通过将微型热电偶置于气体扩散层和膜电极组件之间测得质子交换膜燃料电池的温度分布,指出在稳态操作条件下,阴极催化层具有最高的温度,这是由于阴极催化层的活化过电位作为主要的热源,而当负载电流被中断时,阴极催化层的温度又变为最低,这是由于水分的蒸发所致。Chin-Hsiang Cheng[17]等提出一种无损可逆的测试方法用来预测质子交换膜中碳纸与膜电极之间的界面的温度分布。
关于对温度影响这一方面,通过文献查阅,周怡博[18]指出气体扩散层( GDL)导热系数的各向异性可以使电池内部的温度分布更加均匀。马利忠[19]利用数学建模的方法,探究了操作参数对温度分布的影响,指出电池内部温度随加湿温度的提高而提高;随工作压力的降低而上升,并证实质子交换膜的厚度也是对电池内部的温度有着重要影响。朱蓉文[9]则通过分析一个包含10个直流道的单电池,从气体加湿程度入手,研究其对膜上温度分布的影响性,指出膜上温度的位置随加湿程度的变化而变化,加湿程度高时最高温度靠近进口,加湿程度低时靠近出口。涂正凯[20]在研究氢空电堆的温度分布特性时,也探究了不同因素(电流密度、空气流量、冷却水流量)对温度分布的影响规律,并得出了相应结论:在电流密度方面指出,电堆运行温度、最大温差、升温速率均随电流密度的增加而增大,原因是随着电流密度的增加,电池性能下降,发热量增加;在空气流量方面指出,随着空气流量的减小,空气进出口温差减小,冷却水温差变大;而在冷却水流量方面指出:冷却水流量改变后,电堆内最高温度、最低温度及电堆内最大温差均上升。
在燃料电池的温度控制方面,温度的控制主要体现在对电池的冷却上,传统燃料电池的冷却主要有两种形式,分别是空冷和水冷。这两种冷却形式优缺点不一。若采用风冷,操作方便,成本较低,结构简单,控制起来也相对容易,有时候在电池外甚至直接接入一个电扇即可;而采用水冷,电池的运用起来较为麻烦,还需要设计相应的冷却水流道,研究表明,不同的流道形式对电池温度的影响不尽相同,另外电池在进行水冷时,还要对冷却水的流量进行相应的控制,毕竟,冷却水流量也是影响温度分布的因素之一。而且水冷还会加大燃料电池堆的体积,使结构复杂,并加大相应的制作成本。

仿真研究

现在,随着科学技术的不断进步,学科之间的交叉关系也越来越密切,自动控制技术的逐渐成熟,计算机功能的更加强大,材料性能的分析愈发透彻,都为燃料电池的研究提供了极大帮助,尤其在是温度控制方面,这一点,通过相关文献查阅,李洁[21] 设计出一种基于PLC的双循环回路燃料电池温度控制系统,分析了内循环回路和外循环回路调节燃料电池温度的工作机理,提出了基于模糊PID控制算法和模糊控制算法的温度控制策略。谢玉洪[22]在针对自增湿阴极开放式质子交换膜燃料电池时,提出采用半导体制冷片作为温度控制装置的方案。许志梅[23]在温度的机理模型基础上,设计了基于动态矩阵预测控制算法的PEMFC控制系统,使质子交换膜燃料电池能够始终在最佳温度点进行工作,并获得较好的电堆输出性能。马天才[24]则从实用的角度,结合燃料电池发动机研发工作,提出了一套不需要精确的系统内部特性和结构参数的燃料电池温度控制仿真模型建模方法。 [25]设计了王寒电堆温度的模糊自适应控制器,首次考虑到了单电池内部水的传输与热传输的耦合问题。
此外,在对燃料电池热管理的研究中,数学建模也是一种常用的办法。借助建模手段,可以了解到电池内各传递反应的总体过程,从而更加灵活地调整设计的方案,优化相应的参数,还可以预测到各种工况条件下电池的工作性能,另外,数学建模还能为电池的结构优化和性能提高做相应的理论指导。但值得注意到是,由于PEMFC系统是一个多相变、多维流动的传质和传热的过程,因此在对不同的电池特性描述时,所采用的数学模型不尽相同。有忽略电池内部的复杂过程,直接以整体为基础,用时间函数来描述的辨别模型;也有利用基本的电化学反应方程和能量传递规律来描述电池内部各个特征的机理模型,这两种模型优缺点各异,但相对前者,后者还需要建立在一个比较合理的假设基础上,而且需要方程的联立求解,并且复杂程度随参数增加而增加。
在模拟方面,各种研究内容也是推陈出新、层出不穷,通过文献查阅,薛坤[26]等运用Fluent的PEM模块研究了不同的气体加湿程度分别对燃料电池温度分布和性能的影响。孙福龙[27]建立了质子交换膜燃料电池的电化学模型,运用MATLAB软件对其进行求解和仿真,证实了在一定范围内,提高温度将有利于电池对外输出的电压。陈雪娇[28]建立空冷型燃料电池电堆温度模型,采用GPC控制器建立温度控制系统,并提出一种改进的广义预测控制算法,减少了计算量和控制过程中的超调。李曦[29]建立了PEMFC电堆 的工作温度与运行参量之间的定量关系模型,为建立面向控制的PEMFC温度非线性模型提供了一种新思路。

结语

综上所述,热管理是影响质子交换膜燃料电池运行性能的关键因素,除此之外,它还与操作条件(如:湿度、压力);燃料电池结构(如:冷却流道设计);参数控制(如:电流密度、冷却水流量)等因素一起决定着电池性能的好坏。对燃料电池运行性能的研究,无论是从影响因素,到影响机理;还是从理论探究,到实验设计,再到建模分析,都已经在国内外掀起了一阵阵的科学热潮,有非常多的国内外学者都对其进行了相关的研究工作,并获得了一定的研究成果。

作者:王旭 张睿 王旭敏

中汽研汽车检验中心(武汉)有限公司

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