质子交换膜燃料电池的内部温度分布

冯政恒，陈 涛，王泽英，陈金奇

(武汉理工大学机电工程学院，湖北 武汉 430070)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有污染小、功率密度高、启动快速和工作温度较低等特点，逐渐应用于交通运输、热电联产等领域。PEMFC在运行过程中会产生大量的热量，虽然适当的升温可加快电化学反应速率、改善水传输状况，提高电池的性能[1]，但过高的温度会使质子交换膜脱水，电池的性能降低，甚至造成不可逆的破坏。实时监测内部温度分布情况，对电池结构设计、稳定运行具有重要意义。

C.Y.Lee等[2]利用微机电系统(MEMS)制作技术，在厚度为40 μm的不锈钢箔衬底上制作了体积小、易于安装且灵敏度高的柔性微温度传感器，但会使活化面积减小，导致电池性能下降。Z.M.Wan等[3]在PEMFC的4只单体电池内部分别插入9个T型薄膜热电偶，原位测量内部温度分布，发现温度分布会随着电流密度的增加而恶化，单体电池内部温差和电池之间的温差都会增大。H.Y.Wang等[4]制造了一种用于测量燃料电池气体扩散层(GDL)表面原位温度的荧光式光纤传感器，但形成的液态水或水滴在光纤和荧光粉之间的移动，会造成响应信号衰减，高湿条件下测量的温度误差较大。Q.F.Jian等[5]利用红外成像仪和热电偶对阴极开放式PEMFC电堆的内部温度进行监测，发现空气流量对温度响应特征和温度均匀性有一定影响。

光纤布拉格光栅(FBG)传感器可以原位监测PEMFC电堆的温度。本文作者利用FBG传感器，对PEMFC电堆内部温度进行原位监测，同时，在线测量不同工作条件下各单体电池内部的温度分布情况，研究电流密度和阴极过量系数对PEMFC电堆内部温度的影响。

1 理论分析

1.1 PEMFC温度理论

PEMFC在运行过程中，约有40%～60%的能量耗散为热量，主要包括：电池产生的不可逆电化学反应热，欧姆极化产生的焦耳热，水的蒸发和冷凝产生的焓变。

PEMFC的能量平衡如式(1)所示。

(1)

式(1)中：J为电流密度；A为有效活化面积；F为法拉第常数；Hfuel为燃料的热值；ncell为电池的数量；Qgen为电化学反应产生的热量；Ucell为单体电池的电压。

PEMFC电堆运行过程中，Qgen可用式(2)进行估算：

Qgen=JAncell(Uocv-Ucell)

(2)

式(2)中：Uocv为电池的理论开路电压。

为了衡量PEMFC内温度分布的均匀性，定义温度均匀性指数(IUT，CIUT)[6]：

(3)

1.2 FBG传感器

FBG利用光纤材料的光敏性及光纤纤芯折射率的周期性变化，经过紫外线曝光后，在纤芯空间内形成相位光栅，实质是在纤芯内形成一个窄带的滤光器或反射镜，起到反射与投射的作用[7]。宽带光源发出的光信号通过光纤传入光纤光栅中，当外界环境(温度、应力等)发生变化时，FBG产生轴向应变，进而导致光栅周期和折射率产生变化。FBG反射中心波长λc的计算公式见式(4)：

λc=2neffΛ

(4)

式(4)中：neff为光纤有效折射率；Λ为光栅周期。

当FBG处于无外力引起的应变的自然状态时，对式(4)进行微分，可以得到温度变化下λc的变化量Δλc，如式(5)所示：

(5)

式(5)中：α为热光系数，表示温度对折射率的影响；β为热膨胀系数，表示温度对光栅周期的影响。

同种光纤材料的α、β是相同的，因此，温度引起的光纤λc变化只与温度相关。对反射光进行解调，可获得Δλc，继而计算温度的变化情况。

2 实验

2.1 平台

实验研究对象为由3片五蛇流场结构(含5条流道的蛇形流场结构)的单体电池组成的小型电堆，结构如图1所示。各部件的材料与相关几何参数见表1。

图1 PEMFC电堆结构图Fig.1 Structure diagram of proton exchange membrane fuel cell (PEMFC) stack

表1 PEMFC电堆各部件材料与几何参数Table 1 Materials and geometric parameters of components of PEMFC stack

流场板材料为euz3号等静压石墨(湖南产)。膜电极组件(MEA，湖北产)包括：质子交换膜，阴、阳极催化剂层，阴、阳极微孔层，以及阴、阳极气体扩散层。以Pt/C为电催化剂，阴、阳极催化层中Pt载量分别为0.4 mg/cm2、0.1 mg/cm2；气体扩散层由孔隙率为78%的多孔碳纸(湖北产)制成；在气体扩散层与催化剂层之间，添加由聚四氟乙烯(PTFE)和碳粉以质量比4∶1制成的微孔层，以改善水和气体的传递。

PEMFC电堆温度在线监测平台由硬件系统和软件系统组成。硬件系统有PEMFC电堆、群翌HS-330S FC测试台(台湾省产)、光纤光栅传感器(山东产)、OPM800光纤光栅解调仪(湖北产)、ZFXJ6824电压巡检仪(上海产)等；软件系统包括PEMFC测试台控制软件和光性能监测软件。

2.2 FBG传感器的布置与标定

PEMFC内部放热反应发生在MEA上，若在阳极侧插入FBG，容易因氢气泄漏发生危险，因此，将FBG传感器(山东产)布置在阴极流场板的流道肩上，并与MEA直接接触。基于流场板的设计，在流场板的24个流道肩上布置16根光纤，每根光纤上布置λc分别为1 535 nm、1 540 nm、1 545 nm或1 550 nm、1 555 nm、1 560 nm，光栅栅距为5 mm、光栅中心距为15 mm的3个光栅。为避免FBG在PEMFC电堆装配和加紧时承受应力，在流道肩上开有0.3 mm宽、0.3 mm深的凹槽；在光栅区域，凹槽加深至0.5 mm，以消除FBG与阴极流场板之间的热传导，确保FBG测量的数据能更准确地反映膜电极温度。使用传感器专用808硅橡胶(广东产)对光纤进行单端固定并密封，静置24 h以便完全固化。FBG的实际布置如图2所示。为方便分析，按气体入口到出口的顺序，将3片单体电池排序为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ；各单体电池内的FBG，自上到下、从左到右依次命名为FBG1～FBG48。

图2 FBG传感器布置示意图Fig.2 Schematic diagram of fiber Bragg grating(FBG) sensor arrangement

使用恒温水槽和5SRTC热电偶(美国产)对FBG传感器进行标定，将恒温水槽温度从30 ℃依次调整到90 ℃。待温度稳定一段时间后，每隔5 ℃，记录此刻FBG的λc和热电偶温度值。为避免实验的偶然性，对每个FBG传感器进行3次标定实验。采用最小二乘法对温度数据进行一元线性回归分析，得到温度θ与λc的关系为：

λc=k·θ+b

(6)

式(6)中：k为FBG传感器对温度的敏感度；b为拟合的截距常量。

2.3 方案

实验方案设计如表2所示，其中，过量系数为实验中提供的气体流量与在该电流密度下化学反应需要的气体流量之比，各组实验均重复进行3次，以排除误差。

表2 温度在线监测实验条件Table 2 Experiment conditions of on-line temperature moni-toring

为评估FBG传感器的影响，需要对嵌入FBG传感器前后电堆的性能进行测试。实验前，将PEMFC电堆以实验1的工作条件活化4 h，使电池发挥最佳性能。采用实验1的条件对电池性能进行测试，电流密度从0加载至1.0 A/cm2，待电堆电压稳定后，记录数据。

为探究不同电流工况与不同阴极过量系数下PEMFC电堆内部的温度分布，采用实验2、3和4的方案，电流密度从0加载至1.0 A/cm2，每种电流密度下持续360 s，同时记录各FBG传感器波长值、各单体电池电压和电堆表面温度。

3 结果与讨论

3.1 FBG传感器标定结果

以单体电池Ⅱ为例，FBG1～FBG9的标定结果见表3。

表3 单体电池Ⅱ上FBG1～FBG9的标定结果Table 3 Calibration results of FBG1-FBG9 on cell Ⅱ

从表3可知，嵌入PEMFC电堆的各FBG传感器λc与温度的一元线性回归拟合优度(R2)均大于0.999 6，表明FBG传感器λc与温度有较高的线性度，可使用λc计算各FBG传感器附近的温度。

3.2 嵌入光纤光栅传感器对PEMFC电堆性能的影响

嵌入FBG传感器前后，PEMFC电堆的电压、功率如图3所示。

图3 嵌入FBG传感器前后PEMFC性能对比Fig.3 Performance comparison of PEMFC before and after embedding FBG sensor

从图3可知，在小于0.4 A/cm2的低电流密度下，嵌入FBG传感器使电压略有下降，电流密度为0.2 A/cm2时，电压下降最大，下降幅度为1.8%；电流密度大于0.4 A/cm2时，嵌入FBG传感器的电压要大于未嵌入FBG传感器时，电流密度为0.9 A/cm2时，电压提升最大，幅度为5.5%。实验结果表明：FBG传感器的嵌入对PEMFC电堆性能的影响较小，可用于电堆内部温度的监测。

3.3 不同电流密度下PEMFC内部温度分布

由于内部FBG传感器较多，选取各单体电池的主要温度特征点进行分析。图4、图5为实验2条件下各单体电池温度及IUT随时间和电流密度的变化曲线。

图4 各单体电池的最高温度、最低温度、温差变化曲线Fig.4 Maximum temperature，minimum temperature and temperature difference change curves of each cell

图5 各单体电池的IUT变化曲线

Fig.5 Index of uniform temperature(IUT) variation curves of each cell

从图4、5可知，电堆内各点的温度随着电流密度的增加和时间的延长均呈上升趋势。PEMFC电堆初始时刻IUT较好，单体电池Ⅰ、Ⅱ和Ⅲ的膜内温差分别为0.58 ℃、0.48 ℃和0.59 ℃，均小于1 ℃；IUT仅为0.09 ℃、0.08 ℃和0.08 ℃。随着电流密度的增加和时间的延长，各单体电池温度的均匀性逐渐变差，其中单体电池Ⅱ的变化最大，温差从0.48 ℃增长到4.86 ℃、IUT从0.08 ℃增长到0.97 ℃。单体电池Ⅰ、Ⅲ的膜内温差比较接近，电流密度为1.0 A/cm2时，最大温差分别为3.32 ℃ 和3.59 ℃。在低电流密度下，电堆内部反应速度较慢，产生的热量较少，因此温度变化较小。电流密度从0增加到0.3 A/cm2，电堆内最高温度上升1.65 ℃，最大温差仅增长0.91 ℃。在中、高电流密度下，电堆内的电化学反应增强，热量在电堆内聚集，温度变化增大。电流密度从0.3 A/cm2增加到1.0 A/cm2，电堆内最高温度由72.05 ℃增加到80.27 ℃，最低温度由70.54 ℃增加到75.07 ℃，最大温差由1.53 ℃增加到5.20 ℃。电堆表面温度与内部温度之差较大，最高温度分别为73.6 ℃和80.27 ℃。这表明，基于表面温度的温度控制和设计方法具有局限性，不能真实反映电堆内部温度。

3.4 阴极过量系数对PEMFC内部温度分布的影响

电流密度为0.9 A/cm2、阴极过量系数为2.0时，各单体电池内部温度分布示意图见图6。

图6 阴极过量系数为2.0时各单体电池的温度分布Fig.6 Temperature distribution of each cell with cathode excess factor of 2.0

从图6可知，在电堆中，最高温度位于单体电池Ⅱ的中间位置，为78.36 ℃；最大温差、最大IUT同样位于单体电池Ⅱ，分别为3.67 ℃和0.62 ℃。在各单体电池中，温度均表现为由中间位置向两侧逐渐降低、进口温度略高于出口温度。这可能是因为：在产热方面，电池中间位置温度较高，催化剂活性较强，电化学反应较为强烈，产生的热量较多；随着反应的进行和气体的流动，靠近出口位置流道内氧气浓度和扩散至催化剂层表面的氧气浓度降低，电化学反应速率变慢，产生的热量减少。在散热方面，在没有通入冷却液的条件下，电池中间位置与外部环境距离较远，热扩散能力较差。

阴极过量系数分别为2.0、2.5、3.0时，不同电流密度下PEMFC电堆内最高温度、最大温差、电压和IUT情况见图7，其中：α表示过量系数；θmax为电堆内最高温度值；Δθ为电堆内最大温差；U为电堆输出电压。

图7 不同阴极过量系数下电堆温度、电压及IUT的变化Fig.7 Variation of stack temperature，voltage and IUT at dif-ferent cathode excess coefficients

从图7可知，过量系数增加，流道内的空气流量与流速相应升高，温度相对较低的过量空气可通过强制对流换热，将膜电极和流场板内的热量带走。电堆内最高温度和温差均有大幅度下降。在1.0 A/cm2的电流密度下，过量系数从2.0提高到2.5，电堆内的温差和IUT分别下降40.38%和28.10%，电压提高0.14 V；阴极过量系数从2.5提高到3.0，温差和IUT分别下降14.01%和15.60%，电压仅提高0.02 V。

4 结论

本文作者以五蛇流场结构的小型PEMFC电堆为研究对象，将FBG传感器嵌入电堆内部，搭建基于FBG传感器的PEMFC内部温度监测平台并进行实验。

嵌入FBG传感器后，PEMFC电堆的性能未受明显影响，说明FBG传感器可用于PEMFC电堆内部温度的原位监测。

同一工况下，PEMFC电堆各监测点温度、各单体电池温差和温度均匀性指数IUT均随电流密度的增加和时间的延长而增加。电堆内和单体电池的温度均呈现出中间高、两侧低的趋势。电堆内最高温度出现在单体电池Ⅱ的中间位置，最低温度出现在单体电池Ⅰ和单体电池Ⅲ的底部位置。在低电流密度下，各监测点温度变化较小；在中高电流密度下，各监测点温度、温差和IUT均有明显增长。

提高过量系数，流道内氧气浓度和空气流速提高，可将电化学反应产生的水和热量及时带出电堆。阴极过量系数从2.0提高到2.5，电堆内各单体电池温度分布均有明显改善，性能也得到提升。