空氣流量對(duì)空冷燃料電池電堆性能的影響研究

氫能由于其可持續(xù)循環(huán)利用、清潔、高效等優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是未來(lái)理想的綠色能源解決方案[1-2]。以氫為燃料的質(zhì)子交換膜燃料電池是一種將氫和氧化劑的化學(xué)能直接轉(zhuǎn)化為電能的高效能量轉(zhuǎn)換裝置[3-4]。與水冷型燃料電池相比，空冷型氫燃料電池采用開(kāi)放型陰極，具有自增濕、系統(tǒng)簡(jiǎn)單輕便等特點(diǎn)，可作為無(wú)人機(jī)、備用電源、家用熱電聯(lián)供系統(tǒng)的能量來(lái)源[5-6]。然而空冷型氫燃料電池最高工作電流密度較低，限制了其最高輸出功率。為了進(jìn)一步提升其性能，不少學(xué)者針對(duì)水、熱管理策略及傳質(zhì)性能開(kāi)展了大量研究。

對(duì)于具有開(kāi)放陰極通道的空冷型電堆，電堆內(nèi)溫度和水分布的非均勻性是限制其性能的關(guān)鍵因素[7-8]?？绽潆姸褍?nèi)溫差可以達(dá)到14℃，而水冷電堆內(nèi)溫差通常限制在4℃。空氣流動(dòng)是影響電堆冷卻效果的關(guān)鍵因素。D'Souza等[9]的電堆熱分析表明風(fēng)扇輪轂區(qū)域和邊緣區(qū)域的空氣流速較低，導(dǎo)致該處電池的溫度偏高。通過(guò)改變風(fēng)扇控制策略可以優(yōu)化空氣流場(chǎng)。De las Heras等[10]對(duì)不同風(fēng)扇數(shù)量和控制策略進(jìn)行了對(duì)比分析，結(jié)果表明4個(gè)風(fēng)扇將導(dǎo)致部分氣流短路而降低冷卻效果。Yuan等[11]采用風(fēng)扇換向的方式，使得空氣不斷切換流動(dòng)方向，將電堆內(nèi)最大溫差從2.35℃降低至0.78℃。Hu等[12]指出增加空氣計(jì)量比可以使得更多的熱量被空氣帶走，降低溫度。Ou等[13]兼顧功率提高及過(guò)熱保護(hù)，提出了最優(yōu)氧氣過(guò)剩率的風(fēng)扇控制策略，在低電流時(shí)采用較高的氧氣過(guò)剩率以避免溫度過(guò)熱。此外，Al-Anazi等[14]研究了在阿拉伯地區(qū)環(huán)境條件下燃料電池的特性，結(jié)果表明環(huán)境溫度對(duì)電堆運(yùn)行溫度有很大影響，在夏天溫暖濕潤(rùn)的條件下電堆輸出性能更好。Dudek等[15]指出通過(guò)采用2個(gè)1 kW電堆并聯(lián)方式可以減小電堆的溫度差。

通過(guò)優(yōu)化雙極板流場(chǎng)也可以強(qiáng)化空氣傳質(zhì)傳熱效果[5,16]。Lee等[17]采用橫截面積沿流動(dòng)方向逐漸增加的反應(yīng)空氣通道降低反應(yīng)物流速，減少隨之帶走的蒸汽量，與之對(duì)應(yīng)的冷卻空氣流道橫截面積逐漸減小，可以加速熱量的排出。通過(guò)對(duì)比不同通道寬度以及不同通道/脊寬度比例結(jié)構(gòu)的燃料電池，Zhao等[18]指出通道寬度存在最優(yōu)值，而通道與脊的寬度比例越小性能越好，并提出具有一定弧度的流場(chǎng)可以利用離心力作用將更多的空氣帶入擴(kuò)散層。為了使反應(yīng)物分布更均勻，Kang等[19]利用泡沫材料作為流場(chǎng)，燃料電池最大功率密度提升了25%。Pl?ger等[20]及Song等[21]采用格柵等旋渦發(fā)生裝置，促進(jìn)垂直流道方向的流動(dòng)。

在水管理方面，由于空氣冷卻通常需要大流量空氣流入，有可能導(dǎo)致膜電極干燥，因此，需保證運(yùn)行過(guò)程中膜電極具有一定濕度，同時(shí)避免局部水淹。Zhao等[22]指出可以通過(guò)提高微孔層的聚四氟乙烯（PTFE）含量提升保水性能，減少膜電極阻抗，提升輸出性能。為了解決水淹引起的電壓下降問(wèn)題，Jian等[23-25]對(duì)“閉端”（dead-end）陽(yáng)極的吹掃策略進(jìn)行了優(yōu)化，兼顧了電壓穩(wěn)定性和氫氣利用率。

綜上所述，在空氣流量控制策略、流場(chǎng)優(yōu)化及膜電極材料等方面開(kāi)展了大量研究，然而空冷電堆中大流量空氣的冷卻方式將導(dǎo)致膜電極干燥，這一矛盾仍然是影響空冷電堆性能的關(guān)鍵因素。為了揭示空冷氫燃料電池的空氣流量對(duì)溫度分布及水傳質(zhì)的影響機(jī)理，本文對(duì)自組裝的800 W空冷型燃料電池電堆進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)值分析，開(kāi)展不同空氣風(fēng)扇轉(zhuǎn)速工況下電堆輸出功率和溫度分布測(cè)試，基于多物理場(chǎng)數(shù)值模型揭示各工況下燃料電池內(nèi)溫度、水分布特性，提出針對(duì)不同電流載荷的風(fēng)扇控制策略。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)包括測(cè)試電堆、電子負(fù)載、數(shù)據(jù)采集儀、直流電源等，如圖1(a)所示。氫氣（純度99.999%）通過(guò)氫氣瓶經(jīng)減壓閥供給，設(shè)定壓力為0.05 MPa。陽(yáng)極采用“閉端”出口，未消耗的氫氣和產(chǎn)物水蒸氣尾氣通過(guò)控制電磁閥的啟閉實(shí)現(xiàn)間歇式排放。利用三洋DC 12 V風(fēng)扇將空氣吸入至電堆，并采用脈寬調(diào)制器（PWM）調(diào)節(jié)占空比d以控制風(fēng)扇轉(zhuǎn)速及空氣流量。風(fēng)扇以及氫氣出口電磁閥通過(guò)外接直流電源供電。采用ITECH 8900A電子負(fù)載模擬不同的電流或電壓加載工況。將K型熱電偶布置在通道陰極通道出口側(cè)，共9個(gè)測(cè)溫點(diǎn)（T1~T9），如圖1(b)所示。電線與極板連接測(cè)試通道及電堆電壓。采用Keysight 34970A數(shù)據(jù)采集儀記錄電堆電壓（精度±0.005%）和熱電偶溫度（精度±1℃）信號(hào)。

圖1

圖1   測(cè)試系統(tǒng)示意圖

Fig.1   Schematic diagram of experimental setup

1.2 電堆組裝

測(cè)試電堆為實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)組裝的電堆，如圖2(a)所示，陽(yáng)極流道采用蜿蜒平行通道，陰極流道采用開(kāi)放式直流道。采用SinoHykey膜電極，膜電極的有效反應(yīng)面積為98 cm2，厚度為25 μm，采用Pt催化劑。膜電極與擴(kuò)散層構(gòu)成膜電極組件。電堆共包括36片石墨雙極板以及35片膜電極組件。通過(guò)6組螺桿及螺母對(duì)端板施加壓力，將雙極板、膜電極以及集流板緊密地組裝在一起。采用富士LLW（0.5~2.5 MPa）壓感紙進(jìn)行了壓力測(cè)試，結(jié)果如圖2(b)所示，密封圈位置顯色更深，表明壓力較大，在反應(yīng)活性區(qū)域盡管顯色淺但也具有一定的壓緊力。為保證密封性和一定的壓緊力，確定了3.5 N·m的裝配扭力。

圖2

圖2   測(cè)試電堆及壓感紙測(cè)試結(jié)果

Fig.2   Assembled stack and results of pressure sensitive test

1.3 實(shí)驗(yàn)步驟

在組裝完成后，對(duì)電堆進(jìn)行了充分的活化，以確保性能穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)測(cè)試的環(huán)境溫度為（28±2）℃；空氣相對(duì)濕度70%±10%，空氣通過(guò)風(fēng)扇吸入，空氣流量隨PWM占空比增加而增加，流量取值范圍在1~2.2 m3/min,計(jì)量比的范圍為20~600；氫氣壓力0.05 MPa，相對(duì)濕度為0，出口為閉端，計(jì)量比為1。測(cè)試時(shí)，先開(kāi)啟風(fēng)扇，調(diào)節(jié)PWM占空比至目標(biāo)值，然后開(kāi)啟氫氣減壓閥，將壓力控制在0.05 MPa；待開(kāi)路電壓保持穩(wěn)定后，控制電子負(fù)載的載荷電流從5 A遞增至60 A，遞增幅度為5 A，每個(gè)電流值保持2 min使電堆達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，記錄輸出電壓、溫度值，數(shù)據(jù)采集間隔為8 s；測(cè)試期間通過(guò)控制氫氣出口電磁閥啟閉間歇式排放，以保證電堆內(nèi)反應(yīng)物充足；加載完成后，逐步降低載荷至零，最后關(guān)閉氫氣減壓閥。

2 數(shù)值模型

2.1 控制方程

為了探究空冷型燃料電池內(nèi)部的溫度和組分分布情況，采用基于計(jì)算燃料電池動(dòng)力學(xué)的數(shù)值方法[26-28]對(duì)單電池進(jìn)行建模分析。控制方程介紹如下。

連續(xù)性方程：

??ρu=0(1)

動(dòng)量方程：

1ε1ε??ρu2=-?p+??μ?u+Su(2)Su=-μKu(3)

式中，Su 為動(dòng)量源項(xiàng)，表示催化層和擴(kuò)散層多孔介質(zhì)內(nèi)的流動(dòng)阻力。

組分方程：

??uCk=??Deffk?Ck+SCk(4)SCk=-skjnF-??ndFie(5)

式中，SCk為組分k的濃度源項(xiàng)，表示催化層內(nèi)反應(yīng)物或產(chǎn)物的消耗及生成，以及膜電極內(nèi)水的電滲遷移。

電荷方程：

0=??κeff??e+S?e(6)0=??σeff??s+S?s(7)S?e=-S?s=j(8)

式中，S?s和S?e分別為催化層內(nèi)質(zhì)子電勢(shì)源項(xiàng)和電子電勢(shì)源項(xiàng)。

能量方程：

??ρcpuT=??keff?T+ST(9)ST=jη-TdU0dT+ie2κeff+is2σ(10)

式中，ST 為能量源項(xiàng)，包括反應(yīng)熱和質(zhì)子及電子傳輸?shù)臍W姆熱。

2.2 電化學(xué)性能及材料參數(shù)

電化學(xué)反應(yīng)速率用Butler-Volmer公式表示為：

ja=j0,refH2CH2CrefH21/2αa+αcRTFη(11)jc=j0,refO2CO2CrefO2exp-αcRTFη(12)η=?s-?e-U0(13)

式中，參考濃度CrefH2=CrefO2=40 mol/m3，反應(yīng)傳輸系數(shù)αa=αc=1，陽(yáng)極和陰極的基準(zhǔn)體積交換電流密度j0,ref為：

j0,refH2=109A/m3(14)j0,refO2=j0,refO2353.15Kexp-137001T-1353.15,?j0,refO2353.15K=104A/m3(15)

催化層中包括膜相、固相和孔隙，其中，水在膜相材料內(nèi)以膜態(tài)水的形式存在，而在孔隙內(nèi)以水蒸氣形式存在，膜態(tài)水與水蒸氣傳遞過(guò)程達(dá)到平衡時(shí)，膜內(nèi)含水量λ與水蒸氣濃度Cw的關(guān)系可表示為：

λ=0.043+17.18a-36.0a2+36.0a3,?a<114,?a=1(16)a=CwCsat(17)

基于式（16）和式（17）以及水蒸氣組分方程式（4）和式（5）就可以求解水蒸氣濃度分布。

式（4）中水在膜電極材料的擴(kuò)散系數(shù)為：

DmemH2O=3.1×10-5λe0.28λ-1e-2436T,?0<λ≤34.17×10-6λ1+161e-λe-2436T,?λ>3(18)

式（7）電解質(zhì)相的電荷傳輸方程中，膜電極材料的質(zhì)子傳導(dǎo)率為膜含水量和溫度的函數(shù)，表示為：

κ=εm1.50.5139λ-0.326exp22221303-1T(19)

模型中材料物性參數(shù)及工況條件列于表1。

表1   材料物性參數(shù)及工況條件

Table 1  Physical properties and working conditions

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2.3 邊界條件

陽(yáng)極氣體通道入口為速度入口邊界，出口為壓力出口邊界。入口流速uin,a為：

uin,a=ξai2FAmemCH2Aa,GC(20)

式中，陽(yáng)極氫氣化學(xué)計(jì)量比取接近于1的值以表示“閉端”條件，即ξa=1.2。

陰極氣體通道入口和出口為壓力邊界，入口壓力值與風(fēng)扇轉(zhuǎn)速相關(guān)。

氣體通道入口的溫度與環(huán)境溫度相等，氫氣和氧氣濃度為環(huán)境溫度和給定壓力條件下的濃度值。

在陰極外側(cè)表面設(shè)置電流載荷，同時(shí)，在陽(yáng)極外側(cè)表面電子勢(shì)為零作為參考電勢(shì)，則求解得到的陰極外側(cè)表面電勢(shì)值即為電池電勢(shì)，邊界條件如下：

?sanodewall=0,??s?ncathodewall=i(21)

其他邊界各變量均為flux=0。

3 結(jié)果與討論

3.1 模型驗(yàn)證

對(duì)網(wǎng)格模型進(jìn)行了網(wǎng)格無(wú)關(guān)性驗(yàn)證[28]，在膜電極區(qū)域采用較密的網(wǎng)格劃分（厚度方向的網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)數(shù)為29）以保證電化學(xué)反應(yīng)求解的精度，整個(gè)模型的網(wǎng)格單元數(shù)為22萬(wàn)個(gè)。

為了驗(yàn)證數(shù)值模型的有效性，將單通道燃料電池模型計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。根據(jù)風(fēng)扇的性能曲線[35]與燃料電池氣體通道流動(dòng)特性曲線，如圖3(a)所示，可以得到，占空比為30%、50%、70%、90%的空氣流量分別為1.0、1.6、2.0、2.2 m3/min，對(duì)應(yīng)的壓力值作為陰極空氣流動(dòng)的邊界條件。選取性能最好的第3節(jié)電池測(cè)試結(jié)果以消除接觸電阻以及溫度邊界的影響。不同占空比下的極化曲線對(duì)比如圖3(b)所示，數(shù)值計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果吻合較好。在占空比較低時(shí)，誤差偏大，可能是實(shí)際流場(chǎng)下流動(dòng)阻力較大導(dǎo)致。

圖3

圖3   不同占空比時(shí)氣體通道壓力邊界取值及燃料電池極化曲線

Fig.3   Gas channel boundary pressure value selection and polarization curves of the fuel cell under different duty ratio

3.2 電堆輸出特性

不同占空比下，電流載荷I爬升過(guò)程中電堆輸出電壓Ustack隨時(shí)間的變化曲線如圖4所示。在初始時(shí)刻，加載電流為零，不同轉(zhuǎn)速的開(kāi)路電壓略有不同，其與初始的膜電極含水量及環(huán)境溫度（26~28℃）相關(guān)，環(huán)境溫度略高且初始含水量略高的情況下則開(kāi)路電勢(shì)較高。施加電流后，由于電化學(xué)反應(yīng)會(huì)產(chǎn)生熱量和水，該范圍內(nèi)環(huán)境溫度的波動(dòng)對(duì)電壓的影響可以忽略。隨施加的電流階梯式爬升，電壓逐步降低，而且在電流突然增加時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電壓先下降后回升至穩(wěn)定值的過(guò)程，即超調(diào)（overshoot）現(xiàn)象[36]。該現(xiàn)象表明了電流載荷改變后，膜電極內(nèi)水和溫度分布重新達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)的響應(yīng)過(guò)程較慢（30~50 s）。

圖4

圖4   不同占空比時(shí)的電堆輸出電壓隨電流爬升的變化曲線

Fig.4   Stack voltage variation with current climbing under different duty ratio

可以看到，在電流I<20 A時(shí)，不同轉(zhuǎn)速下的電堆輸出電壓基本一致，然而當(dāng)電流繼續(xù)增加時(shí)，占空比較小的電堆輸出電壓依次出現(xiàn)大幅下降。d=70%、90%時(shí)，盡管電堆在大電流時(shí)仍能保持相對(duì)穩(wěn)定，但是超調(diào)現(xiàn)象的電壓回升變得非常不明顯，表明膜電極內(nèi)水和溫度難以達(dá)到新的穩(wěn)定狀態(tài)，即溫度持續(xù)上升，而膜電極不斷變得干燥。

將各階段的電堆輸出電壓U、電流I和功率P繪制成極化曲線如圖5所示。根據(jù)極化曲線特性，電流I<10 A時(shí)，電壓損失主要為反應(yīng)活化損失。由于電流密度較小，產(chǎn)熱量少且溫度差異很小，不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的輸出電壓和功率曲線基本一致。當(dāng)電流增加至10~30 A時(shí)，接觸電阻和膜電極內(nèi)阻導(dǎo)致的歐姆損失逐漸成為電壓損失的主導(dǎo)。尤其在大流量的吹掃作用下膜電極含水量降低，由式（19）可知，膜含水量λ越低則膜電極質(zhì)子傳導(dǎo)率越低，從而將導(dǎo)致更多的歐姆損失。這也解釋了在10~30 A電流下d=50%的輸出電壓高于d為70%和90%工況的原因。當(dāng)加載電流繼續(xù)增加（>30 A），風(fēng)扇轉(zhuǎn)速越高，輸出電壓和功率越高，其原因?qū)⑦M(jìn)一步討論。

圖5

圖5   不同占空比時(shí)的輸出性能

Fig.5   Performance curves under different duty ratio

以各風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下電堆功率平均值為基準(zhǔn)計(jì)算電堆輸出功率Pi 的相對(duì)值，如圖6(a)所示。當(dāng)加載電流在5~10 A時(shí)，占空比對(duì)輸出功率影響較小；當(dāng)電流在20~30 A時(shí)，d=50%的輸出功率比d=70%和90%的輸出功率高；當(dāng)電流≥40 A時(shí)，d=90%的輸出功率最高。

圖6

圖6   不同加載電流下的相對(duì)功率

Fig.6   Relative power under different current loadings

通過(guò)提高轉(zhuǎn)速提升電堆輸出功率的同時(shí)，用于驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇電機(jī)的功率消耗也明顯增加。各占空比值與對(duì)應(yīng)的風(fēng)扇功率列于表2。

表2   不同占空比時(shí)的風(fēng)扇功率

Table 2  Fan power at different duty ratio

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考慮風(fēng)扇功率消耗后的電堆凈功率Pi'的相對(duì)值如圖6(b)所示。與之前的結(jié)果有明顯的不同，電流≤ 20 A時(shí)，d=30%的凈功率最高，隨d增加而凈功率降低；當(dāng)電流繼續(xù)增加，30、40、50 A條件下最大凈功率對(duì)應(yīng)的占空比值分別為50%、70%、90%。結(jié)合圖4中的動(dòng)態(tài)輸出特性，在高電流時(shí)應(yīng)選取較高的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速以保證輸出較為穩(wěn)定。

3.3 電堆溫度變化及分布

圖7為加載電流爬升過(guò)程中各溫度測(cè)點(diǎn)平均值Tavg隨時(shí)間的變化曲線。初始時(shí)刻的溫度即為環(huán)境溫度，隨著電流載荷的增加，電堆平均溫度逐漸上升。在電流較小（I<20 A）時(shí)，由于反應(yīng)產(chǎn)生的熱量較低，載荷改變后，溫度可以快速穩(wěn)定；當(dāng)電流較大時(shí)，載荷改變后，產(chǎn)熱與散熱很難達(dá)到平衡，溫度持續(xù)上升。可以看到，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)溫度影響顯著，降低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以將電堆溫度控制在較高水平，提高催化劑活性，而當(dāng)電流較高時(shí)，必須有足夠的風(fēng)量以避免溫度過(guò)高。

圖7

圖7   不同占空比時(shí)的電堆平均溫度隨電流爬升的變化曲線

Fig.7   Variation of the average stack temperature with current climbing under different duty ratio

以d=50%為例對(duì)電堆各區(qū)域的溫度進(jìn)行對(duì)比，如圖8所示。沿高度方向，中部溫度最高，其次是底部和頂部；沿水平方向，中間溫度最高，其次是右側(cè)和左側(cè)。盡管產(chǎn)熱量隨電流增加，然而頂部和左側(cè)的溫度隨反應(yīng)產(chǎn)生的熱量變化較小，可以推測(cè)該區(qū)域溫度較低是由于更靠近氫氣入口導(dǎo)致的。

圖8

圖8   d=50%溫度隨電流爬升的變化曲線

Fig.8   Temperature variation with current climbing at d=50%

為了分析不同占空比對(duì)溫度分布的影響，圖9給出了9個(gè)測(cè)點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差σ(T)變化曲線?？梢院苊黠@地看到，當(dāng)電流增加時(shí)，不僅溫度升高，而且溫度標(biāo)準(zhǔn)差也越來(lái)越大。電堆內(nèi)溫差較大將導(dǎo)致較大的溫差應(yīng)力，加速膜電極的性能衰減過(guò)程。提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速可以有效降低溫度標(biāo)準(zhǔn)差。因此，從溫度一致性的角度來(lái)看，采用較高的風(fēng)扇轉(zhuǎn)速有利于延長(zhǎng)膜電極的使用壽命。

圖9

圖9   不同占空比時(shí)的溫度標(biāo)準(zhǔn)差隨電流爬升的變化曲線

Fig.9   Temperature standard deviation variation with current climbing under different duty ratio

3.4 傳質(zhì)傳熱特性

基于數(shù)值方法，對(duì)電流密度為3000、5000 A/m2條件下（分別對(duì)應(yīng)于實(shí)驗(yàn)中30 A和50 A電流工況），不同占空比條件時(shí)的燃料電池內(nèi)各物理場(chǎng)和反應(yīng)特性進(jìn)行求解。得到的氧氣濃度（陰極催化層CCL與擴(kuò)散層CGDL界面）、膜含水量（CCL中面）以及溫度（CCL中面）分布如圖10所示。圖10(a)中，各工況在脊下區(qū)域的氧氣濃度均略低，而通道下區(qū)域氧氣濃度略高，而且均呈現(xiàn)出沿空氣流動(dòng)方向濃度逐漸降低的趨勢(shì)。在i=5000 A/m2條件下，氧氣濃度略低，但仍相對(duì)充足。因此，氧氣濃度并不是限制反應(yīng)強(qiáng)度的主要因素。

圖10

圖10   不同占空比時(shí)的模擬結(jié)果

Fig.10   Simulation results under different duty ratio

圖10(b)中，膜含水量λ（水分子與磺酸基團(tuán)SO3-H+的數(shù)量比）隨占空比增加而明顯增加，從而有利于提升膜電極質(zhì)子傳導(dǎo)率，降低歐姆損失，這也解釋了3.2節(jié)中在大電流密度下輸出電壓隨占空比增加的原因。另外，脊下區(qū)域膜含水量比通道下區(qū)域含水量高，表明在吹掃作用下通道下區(qū)域水排出量更大；入口側(cè)膜含水量較低，沿流動(dòng)方向膜含水量先增加后降低。

圖10(c)是不同占空比條件下催化層中面溫度分布云圖。影響溫度的原因主要有兩個(gè)，即熱量的產(chǎn)生和傳遞。圖10(b)中通道下方含水量較低，因而質(zhì)子傳導(dǎo)率低，產(chǎn)生的歐姆熱更多，因此，盡管通道下吹掃作用可以帶走更多的熱量，但是通道下方區(qū)域溫度高于脊下區(qū)域。而在空氣流動(dòng)方向，由于空氣不斷被加熱，呈現(xiàn)從入口至出口溫度遞增的趨勢(shì)[37]。對(duì)比相同電流載荷下的催化層溫度，可以發(fā)現(xiàn)，隨占空比增加催化層溫度降低。式（16）和式（17）中，膜含水量與飽和蒸氣壓力成反比，而飽和蒸氣壓與溫度正相關(guān)，即膜含水量與溫度負(fù)相關(guān)。因此，對(duì)于大電流密度條件，d=50%時(shí)，出口側(cè)溫度明顯增高，將導(dǎo)致膜含水量降低。通過(guò)提高風(fēng)扇占空比降低溫度，可以有效提高膜含水量，減少歐姆損失，同時(shí)，結(jié)果表明其引起的吹掃排水量增加可以忽略。

4 結(jié)論

本文基于實(shí)驗(yàn)和數(shù)值方法對(duì)自組裝的800 W空冷氫燃料電池電堆進(jìn)行了不同風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下的輸出性能研究，對(duì)比分析了空氣流量對(duì)傳熱傳質(zhì)特性及輸出功率的影響，主要結(jié)論如下。

（1）不同電流載荷條件下，風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)電堆輸出特性影響不同。小電流條件下，低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速的凈輸出功率較大，而大電流條件下，增加轉(zhuǎn)速可以明顯提高輸出功率。

（2）低風(fēng)扇轉(zhuǎn)速下空氣流量小，可以保持電堆內(nèi)溫度較高，提高催化劑活性；然而，當(dāng)電流增大而產(chǎn)熱量隨之增加時(shí)，提高風(fēng)扇轉(zhuǎn)速增加空氣流量可以有效避免溫度過(guò)高及溫度不均。

（3）數(shù)值結(jié)果揭示了電堆內(nèi)傳熱傳質(zhì)影響機(jī)理，催化層內(nèi)溫度過(guò)高時(shí)，膜電極含水量降低，將導(dǎo)致質(zhì)子傳導(dǎo)率降低，從而增加了歐姆損失。

（4）空冷型電堆內(nèi)含水量較低是限制輸出功率的關(guān)鍵因素，可以通過(guò)強(qiáng)化傳熱的方法及采用保水性能更好的膜電極進(jìn)一步提升輸出功率。

符號(hào)說(shuō)明