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。……