空冷型PEMFC电堆阴极风扇系统实验与模拟

卜庆元，李奇，陈维荣，陈冬浩，韩明

（1西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；2淡马锡理工学院工程学院，新加坡 529757）

空冷型PEMFC电堆阴极风扇系统实验与模拟

卜庆元1,2，李奇1，陈维荣1，陈冬浩1,2，韩明2

（1西南交通大学电气工程学院，四川 成都 610031；2淡马锡理工学院工程学院，新加坡 529757）

风扇被用于空冷型PEMFC电堆的冷却和氧气的供应，空气流速的大小和分布对于提高电堆输出性能和内部温度的均匀性非常关键，可以通过改变风扇的工作电压（风扇工作在恒流模式）和风扇与PEMFC阴极入口的距离来调整。针对实验室自制空冷型PEMFC电堆进行实验来寻找风扇工作距离和工作电压对于电堆性能的影响，并利用多元回归拟合得到以电堆表面平均温度为因变量，以风扇工作电压和风扇工作距离为自变量的经验公式。研究结果表明：当风扇工作距离大于或小于其最优工作距离时，电堆性能均会发生衰减；当风扇处于最优工作距离时，电堆表面温度更加均匀，各单电池电压均匀性得到提高，并且此时所需的最优风扇工作电压更小。该研究对于提高空冷型PEMFC电堆输出性能、增加电堆运行稳定性、提高电堆系统效率等具有重要的指导和参考价值。

燃料电池；流体力学；风扇系统；优化设计；实验验证

引 言

质子交换膜燃料电池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）因其能量密度高、工作温度低、能够连续运行等特点而适用于汽车、便携式电子产品和微机电系统（MEMS）等领域。研究质子交换膜燃料电池的特性，优化电堆结构，寻求有效的方法和控制策略改善其性能，提高其工作效率，具有非常重要的意义和实用价值，目前各国政府和企业正在投入大量资源进行相关研究，并取得了很多成果[1-7]。根据冷却方式的不同，质子交换膜燃料电池可以分为循环水冷却和空气冷却两种，其中空冷型PEMFC因其结构简单、自身能耗小（＜5%）[8]等特点在小型电源方面有着非常广阔的应用。

目前广泛使用的空冷型PEMFC是在阴极增加一个强制对流型的风扇系统，其风扇的放置对空气的流量分布及电堆的温度有重要的影响作用。因此，研究阴极风扇系统结构的优化对于提高整体工作效率和性能具有非常重要的意义和实用价值。

国内外学者针对水冷型PEMFC电堆阴极空气系统的研究取得了很多成果[9-11]，但对于空冷型PEMFC阴极系统的研究存在很大不足。覃有为等[12]虽然对车用质子交换膜燃料电池堆的阴极进气系统进行了模拟，讨论了进出口气体压力差和进出口位置与个数对电池性能的影响，但缺少实验对模型的验证，同时此文献所采用的阴极进气系统并非严格意义上的阴极开放式，结果造成进口压力不均匀，从而导致各单电池进气量不均匀。刘明义等[13]对便携式PEMFC系统进行性能测试，分析了影响系统性能的关键因素，其中分析了在“吸”模式下风扇高度对电池系统性能的影响，但没有阐述采用“吸”模式的原因，对风扇高度概念的定义模糊，三个风扇高度的设定值没有依据。文献[14]通过对电堆的阳极入口氢气压力和风扇转速的正交实验，分析了上述控制量对电堆性能的影响，但是其在设计实验时，没有明确说明选取测量点的依据。朱星光等[15]研究分析了阴极风扇系统不同工作模式（“吹”和“吸”）对空气流速分布、电堆温度分布和输出性能的影响，得出了风扇在“吸”模式下，燃料电池的表面工作温度分布和空气流速分布更均匀，但在相同风扇工作电压时风速要明显小于在“吹”模式下的风速等结论，但该文献并未考虑到风扇不同工作距离对整个系统性能的影响。

另外，国内外许多文献也对燃料电池温度的测量进行了研究，其中使用较多的方法是用热电偶对燃料电池上的一些被考察的特定点进行测量[16-19]，该方法的缺陷之一是它只对燃料电池特定部位的温度进行测量，但无法掌握燃料电池表面的整体温度分布情况。

本文针对百瓦级空冷型PEMFC电堆阴极风扇系统在“吹”模式下开展了相关研究，自主设计阴极风扇系统流道，并对风扇在不同工作距离和工作电压下进行实验。通过Fluke Ti25红外热像仪对电堆阴极出口侧进行测温来快速反映电堆散热情况。借助于电子负载箱来控制电堆在恒电压模式下工作，并自动记录电堆输出电流用于分析电堆输出性能。该研究结果为空冷型PEMFC电堆结构的进一步设计优化奠定了良好的基础。

1 理论分析

对于管道内流动的气体，其Reynolds数[20]表达式为

在本实验中，所采用管道等效直径为0.04 m，风扇产生流速约为4～6 m·s−1，室温常压下空气运动黏度为1.48×10−5m2·s−1，经计算可得其Reynolds数大约为10000～16000。对于管道中气体流动来说，Reynolds数大于4000时可被称为湍流状态。

在湍流状态中，流体质点做混杂的、无规则和随机的非定常运动，它们在向下游流动的同时，不断与邻近的流体质点相互掺混，流体质点做无规则的横向脉动，使其速度分布趋于均匀化，如图1所示。

由于黏性摩擦的影响，流体在等截面直管中的流动也会产生沿程能量损失。在湍流流动中，由于流体质点的大量混杂运动，其阻力损失大大超过了层流的阻力损失。

图1 管道中湍流完全发展示意图Fig.1 Fully developed turbulent flow in circular straight pipe

对图1所示水平管道的入口截面和出口截面进行分析，其沿程能量损失用沿程压力损失表示为

式中，，由式（2）可以看出，对于湍流流动，沿程能量损失与速度的二次方和管长成正比。

2 实验测试

2.1 燃料电池系统

本实验使用的空冷型PEMFC电堆包含15片单电池，每片电池的活化面积为17 mm2，膜电极型号为DuPontTMMEA3，其在25 psi（pounds per square inch，1 psi=6.895 kPa）干燥环境下运行温度可达80℃。阴极和阳极均采用平行流道设计，其中有效流道的长度、宽度、深度分别为72、1.5、0.8/0.3 mm（阳极深度为0.3 mm）。通过LHDA0533115H型电磁阀控制电堆阳极每10 s排气一次，以避免阳极水淹对实验结果造成干扰（实验室之前实验结果已经证实在该排气周期下没有水淹现象发生）。

实验风扇采用DELTA公司的PFB0412EHN型叶片风机，其相关参数见表1。

表1 风扇相关参数Table 1 Parameters of fan

阳极氢气由储气罐经输气管道供给，纯度为99.99%，采用单端进气方式，进气压力40 kPa，燃料电池所处环境温度22℃。负载由KIKUSUI 1004 W型电子负载箱提供（可记录U-t、I-t、P-t曲线）。阴极风扇工作电压由直流稳压电源供给，其工作电压可调。

实验中阴极风扇系统工作模式如图2所示，其中风扇与电堆阴极入口距离可调。

图2 阴极风扇系统工作模式Fig.2 Operating mode of cathode fan system

2.2 实验方案

电堆在恒电压(constant voltage，CV)模式下工作，控制电堆输出电压为10.5 V（单电池电压0.7 V）。根据风扇和电堆之间距离的不同（1.5、3.5、5.5、7.5 cm）将实验分为4组，每组实验中风扇工作电压分别为8、10、12 V（工作电流几乎不变），以PEMFC电堆的输出电流和电堆表面温度作为研究对象来重点分析。

实验过程中采用由美国Fluke公司生产的Ti25型红外热成像仪来快速准确获取电堆整个表面的温度分布信息，以便了解和推断电池内部实际工作温度情况。使用SmartView软件可以分析所拍摄的温度分布图像并对其进行有效的管理。

3 实验结果与分析

3.1 风扇工作距离和电压对电堆输出性能的影响

对于PEMFC电堆阴极风扇系统来说，不同风扇电压直接关系到系统自身能耗的多少，而不同的工作距离又影响流道内气流的分布，因此探究不同风扇工作距离和电压对电堆的影响十分必要。图3为电堆输出电流平均值（稳定运行10 min）随风扇工作距离和电压的变化曲线。

由图3（a）可知，风扇工作电压一定时，电堆输出电流随风扇工作距离增加先提高后降低，当风扇工作电压为8 V时，其输出电流最高可提高约15%。此外，从图中还可看出，在相同的工作电压下电堆阴极风扇系统存在最优距离（约为5.5 cm）。同时，从图3（b）中可以看出：对于不同的风扇工作距离，电堆的输出电流随风扇工作电压增加变化的幅度不同，并且在相同的风扇工作电压下，电堆输出电流始终在风扇最优工作距离时最优。当风扇工作距离从1.5 cm增加至5.5 cm时，随着风扇工作电压从8 V升高至12 V，电堆输出电流提高幅度依次为：5%，2%，0.02%。当风扇工作距离为7.5 cm时，虽然改变风扇工作电压又能使电堆输出电流明显上升，但此时电堆输出电流已明显低于最优工作距离时的输出电流。

图3 风扇工作距离和电压对输出电流的影响Fig.3 Influence of working voltage and distance on output current

此外，在电堆工作过程中，各单电池的电压和及其电压差异值能从侧面体现气流的流量和分布，图4为当风扇工作电压为10 V时，在不同的风扇工作距离下各单电池的平均电压值分布曲线。

从图4中可以得出，随着风扇工作距离的增大，各单电池电压平均值的最大差异值分别为0.0222、0.0176、0.0161和0.0230 V，即当风扇工作在最优工作距离时气流分布相对更均匀，有利于单电池电压均匀性的提高。

图4 风扇工作距离对电堆单电池电压的影响Fig.4 Influence of working distance on unit cell voltage

以上现象出现的原因在于气流在管道中的流动属于充分发展的湍流流动。文献[7]已经说明当风扇处于“吹”模式时，其空气流速分布变化很大，靠近风扇中心和管道边缘位置流速较低，大概在风扇中心与边缘的中间处流速最大。对于充分发展的湍流流动来说，随着管道长度的增加，管道中心流速“山谷”处气体流速逐渐增加，周围流速“山峰”处气体流速逐渐减小，管道截面流速分布趋于均匀，使电堆输出性能提高。然而随着管道长度的继续增加，流体在管道中的沿程能量损失不能忽视，由式(2)可知，沿程能量损失将导致管道内压差的增加，进而引起管道内气体流量的减少，造成电堆输出性能的降低。当风扇工作距离小于最优工作距离时，管内湍流的充分发展相对于沿程损失起主要作用，随着距离的增加，管内中心处“山谷”处的流速增大，四周“山峰”处的流速减小，流量分布更加均匀，进而使电堆输出电流得到提高。另外风扇工作电压的升高也将引起管道内流量的增加，使电堆输出电流得到提高。当风扇工作距离大于最优距离时，管道内沿程损失发挥主要作用，造成管内压差的增大，引起管内流量减少，从而导致电堆输出电流降低。

3.2 风扇工作距离和电压对电堆散热的影响

在空冷型电堆工作过程中，电堆工作温度与电堆工作电流、风扇转速、风扇位置、阳极排气间隔等因素密切相关，在本研究中，电堆工作在恒压输出模式，并将阳极排气间隔设定为10 s，根据历史实验数据可知，在该排气周期下，能够维持输出电流相对平稳，避免因排水不及时导致电堆输出电流出现大幅波动。因而，该实验能够有效地单独探究阴极风扇系统对电堆散热性能的影响，寻找不同工作电压和工作距离对于电堆散热效果的规律。图5为电堆达到稳态运行时（通过电子负载的上位机软件可以观察到输出电流达到稳定，无明显波动）表面平均温度分别随风扇工作距离和电压的变化曲线。

图5 风扇工作距离和电压对电堆表面温度的影响Fig.5 Influence of working distance and voltage on surface temperature of stack

从图5（a）中可以看出，当风扇工作距离小于其最优工作距离（5.5 cm）时，电堆表面温度随风扇工作电压的升高而升高，但随着工作距离的增加，这种差异不断减小。当风扇工作距离超过其最优工作距离之后，电堆表面平均温度均明显上升，但此时电堆表面温度随风扇工作电压升高而降低。此外，从图5（b）中可以看出，随着风扇工作电压从8 V增加至12 V：当风扇工作距离为1.5 cm时，电堆表面平均温度上升了1.4℃；当风扇工作距离为3.5 cm时，电堆表面平均温度上升了0.4℃；当风扇工作距离为5.5 cm（最优距离）时，电堆表面平均温度先上升0.4℃后下降了0.2℃；当风扇工作为7.5 cm时，虽说电堆表面平均温度下降了1.6℃，并且下降趋势越来越明显，但此时整体平均温度已经明显升高。

产生该问题的原因在于，当风扇工作电压较低时（8 V），其产生的流量较小，此时随着工作距离的增大，一方面管内湍流充分发展使流速分布均匀的作用不明显，另一方面管内沿程损失使总流量减小，导致散热效果变差，电堆表面平均温度呈上升趋势，但在其最优工作距离附近上升速度会有一定程度的减缓；当风扇工作电压正常或者偏高时（10和12 V），随着风扇工作距离的增加，湍流充分发展作用增强，电堆散热效果变好，其表面温度会有发生一定程度的降低，但是当风扇工作距离超过最优工作距离时，管内沿程损失发挥主导作用，造成温度大幅上升，在此时增大风扇工作电压会使管道内流量增加，在一定程度上也会提高电堆散热性能。

图6为当风扇工作电压为10 V，风扇工作距离为1.5、3.5、5.5、7.5 cm时，通过SmartView软件处理Fluke Ti25红外热成像仪采集到的电堆表面温度图像，得到的电堆对角线上的温度分布曲线。

图6 电堆表面温度曲线Fig.6 Temperature curve of stack surface

从图6中可以看出：随着风扇工作距离的增加，电堆中心处的温度有所下降，远离电堆中心的位置温度有所上升，整体趋势向均匀化发展，但是当风扇工作距离超过其最优工作距离（5.5 cm）时，电堆表面整体温度出现大幅度的上升，该变化趋势进一步验证了图3～图5的分析结果。

4 多元回归拟合分析

通过以上分析可知，空冷型PEMFC阴极风扇系统的工作电压和工作距离对电堆的性能有明显的影响，并且存在耦合性，其主要通过影响氧化剂-空气的分布以及流量来影响电堆的整体性能。由于电堆表面平均温度可以从侧面反映出流道内气体的分布和流量，为探讨其影响的规律性，本节从风扇工作电压和工作距离共同对电堆表面平均温度的影响角度进行分析。图7为风扇不同工作电压和距离下的电堆表面平均温度曲面图，其中图7（b）为经过二次样条插值之后的拟合曲面图。

图7 不同工作电压和距离下电堆表面平均温度Fig.7 Average temperature under different working voltage and distance

从图7中可以看出，电堆表面平均温度随工作电压和工作距离的变化而变化，并且总能找到对应关系，即流道内的空气流量与风扇的工作电压和工作距离存在一一对应关系。

利用图7中的数据，以风扇工作电压和工作距离为自变量，以电堆表面平均温度Tave为因变量，经过拟合得出Tave关于风扇工作电压和工作距离的经验公式Tave=f(Vol,Dis)如式（3）所示

上述经验公式是借助Matlab用多元回归法拟合得出，其回归系数β的估计值即为式（3）中的各项系数值，残差r=[0 0.566 －0.716 0.150 －0.284 0.221 －0.421 0.484 －0.119 0.426 －0.076 －0.230]。该拟合公式的残差图如图8所示。

从图8残差图中可以看出，所有数据的残差都接近于零点，且残差的置信区间均包含零点，这就说明式（3）的回归模型能很好地符合原始数据，该经验公式具有很好的拟合效果。

图8 式（3）残差图Fig.8 Residual plot of formula 3

5 结 论

对于空冷型PEMFC燃料电池系统来说，阴极风扇系统的工作模式对燃料电池表面工作温度分布和输出性能有着重要的影响。在现有的文献之中虽然已经表明相对于“吹”模式，风扇在“吸”模式下空气流速及流量分布更均匀，将更有利于燃料电池的内部电化学反应、对外散热及热平衡，但是实验结果也证实了风扇在相同工作电压下，产生的风速要明显小于“吹”模式下的风速，这不利于提高系统的整体效率。本文从实验的角度出发，借助于气体在管路中的流动规律等理论知识，通过设置实验分析了不同的风扇工作距离和工作电压对于系统的影响，并利用多元回归拟合得到电堆表面平均温度随风扇工作电压和工作距离变化的经验公式。在实验的过程中借助于Fluke Ti25红外热像仪对电堆阴极出口表面进行实时测温，而不是传统的测量固定的点，其测量结果更可靠。经过分析发现，空冷型PEMFC在工作过程中，其风扇系统存在最优工作距离，当风扇工作距离大于或小于其最优工作距离时，电堆性能均会发生衰减，另外，当风扇处于最优工作距离时，电堆表面温度更加均匀，电堆各单电池电压均匀性得到提高，此时达到同样散热效果所需的最优风扇工作电压更小，可以提升系统整体效率。本文得出的实验结果可以为后续空冷型PEMFC系统的设计提供参考，对于提高空冷型电堆输出性能、增加电堆运行稳定性、提高系统整体效率有很大的帮助。

符 号 说 明

Dis ——风扇工作距离，cm

d——管道直径，m

g——重力加速度，m·s−2

l——管道长度，m

p1——管道入口截面压强，Pa

p2——管道出口截面压强，Pa

Re——Reynolds数

Tave——电堆表面平均温度，℃

Vol ——风扇工作电压，V

v——管道中平均流速，m·s−1

⊿——管壁粗糙度，mm

λ——压力损失系数

μ——流体动力黏度，N·s·m−2

υ——运动黏度，m2·s−1

ρ——流体密度，kg·m−3

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Experimental and simulation of cathode fan system of air-cooling PEMFC

BU Qingyuan1,2, LI Qi1, CHEN Weirong1, CHEN Donghao1,2, HAN Ming2
(1School of Electrical Engineering,Southwest Jiaotong University,Chengdu610031,Sichuan,China;2Clean Energy Research Center,Temasek Polytechnic, 529757,Singapore)

Fans are used for cooling and feeding oxygen in air-cooling proton exchange membrane fuel cell (PEMFC). For optimal performance, it is essential that the air is distributed as uniformly as possible and supplied sufficiently, which can be adjusted by varying the working distance and voltage of fans, in order to maintain temperature uniform (with the fan working in certain mode). Experiments were carried out for air cooling PEMFC, with the fan system working under the mode of “blowing”, to find the optimal distance. The temperature on the export side of cathode was measured to reflect the heat dissipation by Fluke Ti25 infrared thermal imager. The load box works under constant voltage mode and automatically records output current of stack, to evaluate the output performance. Moreover, an empirical formula is fitted according to the average temperature under different conditions, with working voltage and working distance as independent variables, and average temperature as the dependent variable. The results show that the performance of the stack declines when the fan is at a distance beyond or below the optimal value. At this optimal distance, the distribution of surface temperature is more uniform, the uniformity of unit cell voltage is better, and the required working voltage of fan system is less. Thiswork provides a guideline and serves as a reference to improve the performance of air-cooling PEMFC by increasing the stability and efficiency of the system.

fuel cell; fluid mechanics; fan system; optimal design; experimental validation

Prof. CHEN Weirong, wrchen@home.swjtu. edu.cn

10.11949/j.issn.0438-1157.20150350

TM 911.4

：A

：0438—1157（2015）10—4211—07

2015-03-19收到初稿，2015-06-01收到修改稿。

联系人：陈维荣。

：卜庆元（1990—），男，硕士研究生。

国家科技支撑计划项目（2014BAG08B01）；国家自然科学基金项目（51177138，61473238，51407146）；四川省杰出青年基金项目（2015JQ0016）。

Received date: 2015-03-19.

Foundation item: supported by the National Key Technology R&D Program (2014BAG08B01), the National Natural Science Foundation of China (51177138, 61473238, 51407146) and the Sichuan Province Funds for Distinguished Young Scientists (2015JQ0016).