空冷型PEMFC高海拔地区运行特性研究

苗宇航，邢 路，程文君，倪豪逸，涂正凯

(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)有着较低的工作温度和较高的能量转换效率，是最有前途的能量转换装置之一。空冷型PEMFC 主要应用在功率需求较小的场合，结构简单，将进气装置与冷却装置合为一体，无增湿装置和空气压缩机，依靠直流风扇提供氧气同时为电池散热，大大简化了电池的结构，减轻设备的质量，在移动电源、无人机、热电联产等领域有着广阔的应用前景[1-2]。

空冷型PEMFC 对外界环境的变化非常敏感，其性能与进气量、工作温度、操作压力、流道结构等因素密切相关，通过增加操作压力能够显著增加反应气体浓度以及膜上的水含量，有助于提升PEMFC 的性能[3-5]。随着海拔高度的上升，空气含氧量及环境温度同时降低，电池的输出功率会明显下降，影响电池的使用，分析空冷PEMFC 在高海拔地区的运行机理及性能影响因素具有重要意义[6]。

本文利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics 建立空冷型PEMFC 单电池的三维模型，研究不同海拔高度下电池输出特性，分析阴极过量系数(燃料电池阴极入口处空气流量与化学反应消耗的理论气体量之比)对电池性能的影响机制，为空冷PEMFC在高海拔地区的使用及性能优化提供参考。

1 电池结构及建模

1.1 模型结构

空冷型PEMFC 单电池模型由双极板(BP)、阴极通道、阳极通道、气体扩散层(GDL)、催化层(CL)、质子交换膜几部分组成。本文所建立的单电池模型包括10 个阴极流道、5 个阳极流道，单电池几何结构如图1(a)所示，采用直流道、交叉流动的方式，图1(b)为单个阴极流道的结构示意图。

图1 模型几何结构

模型主要结构参数及物性参数如下：阳极通道高度6×10-4m，阳极通道宽度2×10-3m，阳极肋宽1.5×10-3m，阴极通道高度3×10-3m，阴极通道宽度1.5×10-3m，阴极肋宽1×10-3m，GDL 厚度4×10-4m，GDL 渗透性1×10-12m2，GDL 孔隙率0.5，CL 厚度1×10-5m，CL 渗透性1×10-12m2，CL 孔隙率0.4，质子交换膜厚度1.5×10-5m，膜电导率10 S/m，阳极参考交换电流密度1×104A/m2，阴极参考交换电流密度1A/m2。

1.2 模型控制方程及假设

质子交换膜燃料电池内部反应涉及到的主要方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、组分守恒方程、Butler-Volmer方程以及能量守恒方程[7]。

为简化模型便于计算，对模型做出如下假设：(1)反应气体均为理想气体；(2)流道内流体的流动均视为层流；(3)GDL和CL 为各向同性，每个方向都有相同的孔隙率和渗透率；(4)忽略重力影响；(5)电池运行状态为稳态。

2 结果与讨论

2.1 海拔高度对电池性能的影响

随着海拔高度的上升，环境压力及环境温度同时发生变化，空冷型PEMFC 的性能受到操作压力及进气温度的共同影响。由能斯特方程，燃料电池的电动势E可表示为：

式中：E0为标准压力和温度下的理论电势；R为气体常数；F为法拉第常数；T为温度；pH2、pO2及pH2O分别为氢气、氧气和水的分压力。

电池在高海拔地区运行时，操作压力下降使电池的理论电池降低，活化损失增大，工作温度的下降使电池内部化学反应速率变慢，气体扩散能力减弱。在压力与温度两种因素的共同影响下，电池输出功率出现明显衰减。同纬度下海拔每升高1 000 m，环境温度下降6 K，取海拔高度0 m 时的环境温度为298.15 K，表1 给出了不同海拔高度下的环境参数。

表1 不同海拔高度下的环境参数

不同海拔高度下电池输出性能曲线如图2 所示，p为操作压力，Tin为进气温度，阴极和阳极过量系数分别为100 和1.5。取电流密度600 mA/cm2时的输出功率进行比较：海拔高度由0 上升至4 000 m，相同进气温度时电池的输出比功率由0.301 W/cm2下降至0.271 W/cm2，性能衰减10%，如图2(a)所示；进气温度降至所在海拔高度对应的环境温度时，电池的输出比功率下降至0.224 W/cm2，性能衰减25.5%，如图2(b)所示。电池输出性能随海拔高度的上升而降低，且工作电流密度越大，功率衰减越严重。高海拔地区电池性能同时受到进气温度及操作压力的较大限制，其中进气温度的变化对其输出性能影响更大。

图2 不同海拔高度下的电池性能曲线

2.2 阴极过量系数对电池性能的影响

海拔高度3 000 m、电流密度600 mA/cm2时，不同过量系数对应的阴极催化层表面氧浓度分布如图3 所示，上侧为空气入口，右侧为氢气入口，操作压力及进气温度分别为环境压力及环境温度。由模拟结果可知，过量系数为40、80、120、160 时，阴极催化层表面氧气平均摩尔浓度分别为3.83、4.05、4.15、4.22 mol/m3，增大阴极过量系数使流道内的氧气更易通过扩散作用向催化层扩散。

图3 阴极CL表面氧气摩尔浓度分布

催化层表面的氧气平均摩尔浓度沿流道方向的变化如图4 所示。靠近阴极入口处氧浓度最高，并沿阴极流道方向递减，在阴极出口处达到最小值。增大过量系数能提升催化层表面反应物的浓度，同时使氧气沿流道方向的分布更加均匀，保证靠近流道出口区域内电化学反应的进行。

图4 沿阴极流道方向的氧浓度

不同海拔高度下，电流密度600 mA/cm2时电池输出电压与过量系数之间的关系如图5 所示。在同一海拔高度下，电池的输出电压随过量系数的增大而增大。海拔3 000 m 时，阴极过量系数由40 增大到160，电池输出比功率由0.397 W/cm2增大到0.409 W/cm2，提升3.2%。主要原因是反应物浓度(分压力)随过量系数的增大而增大，由能斯特方程可知，氧分压增大电池理论电动势也随之升高。同时，增大反应物浓度能够提高反应速率，减小极化损失，从而提升电池输出性能。但是，增大阴极过量系数的同时，风扇消耗的功率也随之增大，在实际应用时应考虑到寄生功率对电池净输出功率的影响，将过量系数控制在适当范围内。

图5 过量系数对电池性能的影响

2.3 电池温度分布特性

空冷型PEMFC 阴极进气一方面用于提供反应所需的氧气，另一方面要通过强制对流换热带走电池内部产生的热量。海拔高度3 000 m、输出电流密度600 mA/cm2时，不同阴极过量系数所对应的质子交换膜表面温度情况如图6 所示。随着过量系数的增大，质子交换膜表面最高温度从306.87 K下降到299.57 K，降低7.28 K，温差由22.64 K 下降至15.9 K。最低温度出现在电池阴极和阳极入口交汇处，最高温度出现在阴极流道与阳极流道出口交汇处。增大阴极过量系数能够强化电池内部的对流换热，减小内部温差，提升电池内部温度均匀性。

图6 过量系数对电池温度的影响

电流密度的大小对电池内部温度分布也有着重要的影响，海拔高度3 000 m 时，不同电流密度下质子交换膜上的温度分布情况如图7 所示。靠近阴极与阳极入口处膜表面温度较低，沿流道方向温度逐渐升高，这是由于气体在流动的过程中不断吸热升温，对流换热能力逐渐减弱，膜表面温度在阴极与阳极出口交汇处达到最大值。

图7 不同电流密度下质子交换膜上的温度分布

质子交换膜表面最高温度及膜内温差随着电流密度的增大而增大。电流密度为500、600、700、800 mA/cm2时，质子交换膜上的温差分别为14.78、17.52、20.24、22.95 K。电池工作在过高电流密度下时，质子交换膜表面温度分布不均匀，内部可能会出现局部热点，导致电池热失衡，影响电池寿命，可以通过提高过量系数的方式强化对流换热，保持内部温度均匀性。

3 结论

(1)空冷型PEMFC 输出性能随着海拔高度的升高而明显下降。海拔高度上升至4 000 m 时，电池在相同进气温度下的输出比功率由0.301 W/cm2下降至0.271 W/cm2，性能衰减10%；进气温度降为所在海拔高度的环境温度时，输出比功率降至0.224 W/cm2，性能衰减25.5%，相比于操作压力的改变，进气温度降低对电池性能的影响更大。

(2)高海拔环境下，通过增大过量系数可以提高电池催化层表面氧浓度，提升电池输出性能。海拔高度3 000 m 时，过量系数由40 增大到160，电池输出功率提高3.2%。同时，增大阴极过量系数能够强化对流换热，降低电池内部温差，提高质子交换膜表面温度均匀性。

(3)质子交换膜表面温差随电流密度的增大而增大。海拔高度3 000 m，电流密度从500 mA/cm2增大到800 mA/cm2时，膜表面温差由14.78 K 上升至22.95 K。工作在过高的电流密度下可能会导致电池内部热失衡，影响电池寿命。