基于空冷型燃料電池原位測試實驗平臺，對優化的陽極氫氣側雙向供氣的氣路結構和陰極空氣側強化中間區域散熱的差異化風速風扇配置方案開展實驗分析。結果發現，優化脈排間隔時間可以減小運行過程中的電壓衰減，并提出了基于不同負載層次的氫氣控制策略。陰極中間區域風速提升可以改善單電池內溫度和電流密度的分布均勻性，提出了分段式風扇轉速控制策略，在不同負載電流區間內對最佳運行溫度和陰極入口風速進行了設計。在此基礎上，搭建包含33節電池的空冷型燃料電池系統，驗證了控制策略的有效性。

目錄

1 研究方法

1.1 空冷型燃料電池原位測試實驗平臺

1.2 陽極氫氣路優化

1.3 陰極空氣路優化

1.4 空冷型燃料電池電堆測試

2 結果分析

2.1 氫氣控制策略

2.2 空氣控制策略

2.3 控制策略驗證

3 結論

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質子交換膜燃料電池（proton exchange membranefuel cell，PEMFC）具有功率密度高、能量轉換效率高、零污染等優點，其工作過程由于電化學反應、歐姆阻抗會產生大量熱量，需要通過被動冷卻的方式散熱。根據冷卻方式的不同，質子交換膜燃料電池可以分為液體冷卻型燃料電池與空氣冷卻型燃料電池，其中空氣冷卻型燃料電池使用空氣同時作為反應氣和冷卻介質，無須額外的冷卻系統和供氣子系統，具有系統簡單、結構緊湊、寄生功率小等優勢，廣泛應用于無人機、便攜式小型電源等領域。

燃料電池內部的水熱狀態分布是影響其性能的重要因素。在水管理方面，為了保證良好的質子傳導率，質子膜需要充分的水合狀態，然而過多的水積聚會導致水淹影響氣體傳質，因此需要及時排除。在熱管理方面，催化劑的活性和電化學反應速率會隨著溫度升高得到改善，但過高的溫度也會導致膜含水量下降，影響電池性能的同時對零部件壽命造成不可逆的衰減。因此，使燃料電池內部保持良好水熱狀態是提高性能的關鍵。

空冷型燃料電池系統陰極側采用空氣同時作為反應劑和冷卻劑，且無外增濕模塊，相較于常規燃料電池，其內部多物理場分布不均勻問題顯著，反應狀態更加難以控制。近年來，已有一些研究人員針對空冷型燃料電池水熱管理開展了研究。為了達到較高的氫氣利用率，空冷型燃料電池通常將氫氣封閉在陽極中，陽極出口的閥門僅定期打開，即盲端模式。這樣的設計使得系統結構簡單易實現，同時氫氣可以在電池內部停留更長時間，從而有更多的機會參與電化學反應，但也同樣會帶來反應均勻性的問題。隨著電化學反應的進行，陽極流道內會逐漸積聚液態水，導致水淹現象的發生，使得催化劑表面反應位點被覆蓋，氫氣濃度降低，電池輸出性能受到影響。此外，陰極側的氮氣和惰性氣體可能會反擴散至陽極聚集，隨著氫氣循環時間的加長，雜質在陽極側累積程度也會增加，降低了氫氣純度。Meyer等揭示了空冷型燃料電池陽極側的氮積累和氫欠氣現象，提出應該間歇性地打開陽極出口的閥門，利用氣流吹掃來及時排出陽極積累的水和氮，即在陽極采取脈沖排氣的策略。Strahl等研究了脈排對空冷型燃料電池系統的性能和效率的影響，發現局部氫氣的缺乏會導致碳載體腐蝕問題的出現。Rabbani等重點研究了陽極再循環系統中氮氣的擴散和氫氣脈排策略，提出脈排間隔時間是電流密度和氫氣流速的直接函數。Mokmeli等為脈排過程開發了一個數學模型，以陽極管路中最小的壓力波動作為目標優化了操作參數，并在最小的電壓損失和最小的氫氣消耗之間實現適當的折中。Lin等通過實驗分析了脈排持續時間對電池能效的影響，提出最佳脈排持續時間約為0.2 s。從現有的陽極側水熱管理和氣體控制策略相關研究可以發現，為空冷型燃料電池系統選取合適的脈排參數是提高電池性能，避免液態水積累，獲得較高氫氣利用率的關鍵。

空冷型燃料電池陰極側多物理場分布不均勻現象同樣顯著。Gong等通過實驗發現，電堆內的最大溫差接近20℃，過高和過低的溫度都會降低輸出電壓，而適當溫度范圍為54~60℃。Zhao等指出由于空氣傳熱效率低，其內部溫度分布非常不均勻，并通過加入VC均熱板增強了散熱能力并提高了溫度分布均勻性。陰極側水熱管理主要通過改變風扇的控制策略來實現。當風扇功率增加時，空氣流速更高，化學計量比增加，同時系統冷卻能力增強，可以有效防止電堆過熱。然而過大的空氣流速會將陰極生成的水大量帶走，導致質子交換膜出現脫水現象，不利于電堆的性能。此外，改變風扇轉速后，電堆的溫度響應表現出明顯的滯后性，長時間運行后，實際溫度與預期溫度之間仍會存在一定溫差，表明風扇轉速的調整在實際運行中應滯后于電流變化。Yuan等構建了一個多節點控制的模型，采用基于有限狀態機控制和常規比例積分控制的策略來控制風扇轉速，實現了更均勻的溫度分布。Ou等提出了一種多輸入多輸出的模糊邏輯溫濕度控制器，通過控制風扇轉速來調節溫度，提高了空冷型燃料電池的輸出功率。從現有的陰極側水熱管理和氣體控制策略相關研究可以發現，建立風扇轉速和電堆性能之間的映射關系尤為重要，同時制定快速響應的風扇轉速控制策略，是提高空冷型燃料電池動態性能的關鍵。

目前研究中的控制策略對于內部反應狀態和多物理場分布不均勻性的改善非常有限，究其原因是現有的空冷型燃料電池系統結構決定陽極出口水淹和電池內部溫度差異顯著的問題是不可避免的。為進一步提高空冷型燃料電池性能和運行穩定性，亟須優化空冷型燃料電池系統結構，并制定合理的陽極氫氣控制策略及陰極空氣控制策略。在前期研究中，提出了陽極側雙向供氣的優化氣路結構和陰極空氣側強化中間區域散熱的差異化風速單風扇配置的方案。本研究基于可以獲取空冷型燃料電池內部反應均勻性的原位測試平臺，以燃料電池內部反應均勻性為評價指標，進一步對不同負載下的陽極氫氣脈排間隔時間、電堆運行溫度、陰極入口風速等參數進行了優化，并提出了相應的氫氣控制策略和空氣控制策略。在此基礎上，完成了包含33節電池的空冷型燃料電池系統設計，并基于該系統進行了策略驗證。

1.1 空冷型燃料電池原位測試實驗平臺

本研究使用上海治臻?生產的K-01型空冷型燃料電池極板組裝包含3節單電池的空冷型燃料電池電堆。質子交換膜選用GORE-SELECT?生產的M735.18如圖1（a）所示，陰極鉑載量0.4 mg/cm2，陽極鉑載量0.1 mg/cm2，有效反應面積為20 cm×5 cm，碳紙選用FREUDENBERG?生產的H24C5。本研究所用空冷燃料電池的額定電流密度為500 mA/cm2。PCB原位測試板位于第2節單電池陰陽極板之間，包含18個電氣隔離的分區，每個分區大小為29 mm×17 mm，可實時測量溫度和電流密度。

圖1 空冷型燃料電池

為開展空冷型燃料電池測試實驗，搭建如圖1（b）所示的測試平臺。陽極使用減壓閥控制氫氣進口壓力，出口使用電磁閥控制排氣時間和排氣間隔時間。陰極使用可編程電源（IT6723C，ITECH）對DC12V軸流風扇THD0912HE供電，提供反應和冷卻所需的空氣，入口風速使用熱線風速儀（DT8880，CEM）進行測量。利用安裝在電池內部陰極反應流道內的熱電偶測量電池溫度，取均勻分布的多個測點中最高點記錄，最高點一般位于電池的空氣出口區域的中間位置。電子負載（IT8816，ITECH）用于調節燃料電池輸出功率。

1.2 陽極氫氣路優化

為減少單向供氣導致的陽極出口位置的積水問題，根據前期研究，在陽極氣路端采用氫氣輸入與輸出互換的新型雙向供氣優化結構。如圖2所示，使用4個進氣控制電磁閥1~4和1個脈排控制電磁閥5，通過電磁閥的組合和時序設計實現空冷型燃料電池的氫氣雙向流動控制。當電磁閥1與電磁閥3開通，電磁閥2與電磁閥4保持關閉時，空冷型燃料電池的供氫模式為模式A，此時陽極流道中的液態水靠近電磁閥3所在的出口區域一側；反之，當電磁閥2與電磁閥4開通，電磁閥1與電磁閥3保持關閉時，空冷型燃料電池的供氫模式為模式B，氫氣進出口實現互換，陽極液態水傾向于集中到電磁閥2所在的另一側。電池運行過程中，模式A與模式B不斷切換以優化電池內水的均勻分布，不同組的電磁閥開/關是同步的，以此保證氫氣的不間斷供應。電磁閥5為脈排閥，在2種模式下都設置為脈排狀態，獨立于其他閥門工作，間隔一段時間排氣1次，清除流道中積聚的液態水，脈排閥的觸發時間與系統中其他閥門的觸發時間交錯。

圖2 雙向供氣的優化氣路結構

在設計氫氣側的控制策略時，關鍵參數包括氫氣的流向切換周期T1、2次脈排之間的間隔時間T2以及每次脈排閥打開的持續時間T3。為了避免引起空冷型燃料電池系統的不穩定，同時確保氫氣流向切換時刻與脈沖排放閥的開啟時刻不會互相沖突，將氫氣流向切換周期T1設定為脈排間隔T2與排氣時間T3之和，并將氫氣流向的切換時刻設置在兩次脈排閥打開的間隔期內。圖3為具體時序圖，從t1時刻開始，系統以模式A運行。在運行T1/2-T3到t2時刻時，脈排閥開啟T3時間后關閉。完成排氣后，此時在模式A狀態下已運行T1/2時間。隨后，系統繼續運行T1/2時間至t3時刻，使模式A運行總時間達到T1。然后在t3時刻，通過控制進氣電磁閥組將氫氣流動模式切換至模式B，實現氫氣的反向流動。相同于模式A的控制方式，在運行T1/2-T3時間后，到t4時刻時打開脈排閥T3時間進行排氣，隨后繼續運行T1/2時間至t1'時刻，使模式B運行總時間達到T1。從t1至t1'時刻為2個完整的模式A、B切換周期，此后以相同方式控制模式的切換和脈排閥的開閉，循環往復運行，交替實現氫氣流向的改變和流道積水的排出。

圖3 氫氣流向切換時序

使用原位測試實驗平臺對氫氣脈排間隔時間T2開展實驗研究。在不同電流負載下，空冷型燃料電池的液態水生成量和陽極內積水量不同。當負載電流密度較低時，流道內積水較少，脈排間隔時間過短會導致氫氣利用率下降，增加電池運行成本；而當負載電流密度較高時，電化學反應的產水量急劇增加，更容易出現水淹現象，需要頻繁打開脈排閥及時將生成水排出。因此，需要對不同的工作電流密度水平進行分級，在不同電流密度階段內分別確定最佳脈排間隔時間T2。考慮到本研究所使用的空冷型燃料電池額定工作電流密度為500 mA/cm2，將脈排間隔時間T2的設計分為3個層次：0~400、400~600、600mA/cm2以上，并分別基于原位測試平臺，測試脈排時間T2為20~70 s時電池內部電流密度分布情況。

1.3 陰極空氣路優化

基于文獻中的測試結果，由于電池邊緣區域的散熱能力更好，邊緣區域溫度明顯低于中間區域，使得中間區域和邊緣區域無法同時工作在最佳工作溫度范圍內。如圖4所示，為了解決溫度分布不均勻的問題，本研究設計對比雙風扇和單風扇2種陰極空氣路進氣方案，可為空冷型燃料電池分別提供均勻化風速和差異化風速，其中單風扇方案可為空冷型燃料電池提供沿長邊方向上差異化的風速，使得中間區域的風速高于邊緣區域，達到強化電池中間區域的散熱能力、針對性冷卻的目的。

圖4 不同風扇配置示意

基于空冷型燃料電池原位測試實驗平臺，對單風扇和雙風扇配置的空冷型燃料電池開展實驗分析，測量不同風扇配置下電池極化曲線和500 mA/cm2負載電流密度時的內部溫度和電流密度分布情況，不同配置實驗中風扇的總功率保持一致。同時，為確定風扇轉速控制策略，通過實驗手段確定不同的典型負載條件下的空冷型燃料電池最佳運行溫度點和對應的陰極流道入口風速范圍。實驗中輸出電流范圍為0~66 A，單電池響應電壓為0.5~1 V，測量典型負載條件下空冷型燃料電池的最佳運行溫度和對應的理想陰極入口風速。

1.4 空冷型燃料電池電堆測試

使用與1.1節相同的空冷型燃料電池雙極板和膜電極物料，組裝包含33節單電池的空冷燃料電池系統，如圖5所示。該系統能夠實現千瓦級的功率輸出，用于驗證陰陽極氣路優化及控制策略的效果。

圖5 千瓦級空冷型燃料電池系統

將空冷型燃料電池系統安裝在滿足氫氣實驗條件的工作臺，完成運行前準備工作并安裝好單元電壓巡檢，電堆溫度測試采用熱電偶。使用壓力為0.05 MPa的氮氣對系統吹掃5 min后打開氫氣閥門，調節氫氣壓力為0.05 MPa，確認燃料電池系統正常啟動后開啟電子負載，以5 A/10 s的速率從低電密向高電密逐漸提高負載電流至60 A，當電池總電壓維持在19 V的輸出狀態時開始進入測試。

首先，測試空冷燃料電池系統的極化性能，分別在60、50、40、30、20、10和5 A及開路狀態下穩定運行10 min，記錄空冷電池系統輸出電壓和單節電池電壓。隨后，測試空冷電池系統穩態運行的穩定性。實驗過程中，保持堆芯負載電流密度為500 mA/cm2，風扇的轉速和電磁閥開關由控制器根據傳感器信息自主調節，持續運行超過1 h。

1研究方法

2.1 氫氣控制策略

使用原位測試實驗平臺對負載電流密度為500 mA/cm2時不同脈排間隔時間T2下的電流密度分布情況進行測試，測試結果如圖6所示。實驗結果表明，雙向供氣結構下，由于液態水不會積聚在某一端，電流密度分布在不同脈排間隔時間下基本一致，脈排間隔時間20 s和40 s之間的差異稍大于40 s和60 s之間的差異，但整體相互差異較小。

圖6 500 mA/cm2負載時不同脈排間隔下電流密度分布

圖7（a）為不同脈排間隔時間T2下空冷型燃料電池電流密度分布標準差和1個周期內單電池輸出電壓衰減值。從統計結果可以看到，隨脈排間隔時間增加，電流密度分布均勻性無明顯變化，但周期內單電池輸出電壓衰減值逐漸上升，在脈排間隔時間為20 s時，電壓衰減值僅為2.7 mV；當脈排間隔時間達到70 s時，電壓衰減值達到了14.3 mV。

圖7 不同脈排條件下空冷型燃料電池性能

圖7（b）為500 mA/cm2電流密度下脈排間隔時間設置為40 s時輸出電壓隨時間的波動情況。可以看到由于液態水的積聚，單個周期電壓逐漸降低，在氫氣流向切換和脈排的瞬間電壓得到恢復，每次脈排后，電壓可以恢復到原始水平。為保證每個周期內單電池電壓衰減值小于10 mV并在脈排后能夠完全恢復，同時避免頻繁脈排帶來的氫氣利用率過低，在400~600 mA/cm2負載層次將脈排間隔設置為40 s。按照相同的實驗和分析方法，分別得到3個層次中最佳的脈排間隔時間T2，如表1所示。

表1 不同負載層次下的脈排間隔設置值

綜合本節研究結果，生成空冷型燃料電池氫氣控制策略，如圖8所示，開始運行前先將電磁閥設置為模式A的狀態，并打開脈排閥用氫氣吹掃5 s后切換至工作模式。設置負載電流后開始計時，然后設置脈排間隔時間T2和排氣時間T3，并計算T1=T2+T3。當運行T2/2-T3時間后，脈排閥開啟進行排氣，T3后關閉。隨后繼續運行T1/2直至達到t=T1時刻，調整電磁閥開閉狀態，切換為模式B，隨后以相同策略循環。

圖8 空冷型燃料電池氫氣控制策略

2.2 空氣控制策略

對空冷型燃料電池來說，風速變化會同時影響電池的空氣計量比、工作溫度和質子膜濕度，多種因素相互耦合，風速過高或過低都會影響電池的輸出性能。此外，空冷型燃料電池內溫度分布不均勻，不僅不利于電池性能，還會導致局部熱應力和熱點，造成電池失效等嚴重后果。設計優化的陰極風扇組和風扇轉速控制方法對于提高電池性能、均勻性和壽命至關重要。

2.2.1 風扇組配置優化驗證

針對單風扇和雙風扇配置的空冷型燃料電池開展實驗分析，2種不同風扇配置下的空冷型燃料電池性能測試結果和500 mA/cm2下的溫度測試結果如圖9所示。實驗結果表明，新的風扇組配置下，空氣在陰極流道周期方向上分配更契合空冷型燃料電池需求，電池輸出性能提高，同時500 mA/cm2時單電池內電流密度和溫度的分布均勻性提高。此外，采用單風扇配置時，空冷型燃料電池平均溫度也相對下降。這是因為在相同的風扇功率下，單風扇的設計為溫度較高的中間區域提供了更高的風速，核心發熱區域獲得更充分的散熱，因此平均溫度降低。

圖9 不同風扇配置下（a）性能測試結果；（b）溫度測試結果

2.2.2 風扇轉速控制策略

典型負載條件下空冷型燃料電池的最佳運行溫度和對應的理想陰極入口風速如表2所示。

表2 不同負載下風扇輸出功率

將實驗得到的不同負載電流下最佳運行溫度和陰極入口風速定義為Topt和vopt。可以發現，對空冷型燃料電池來說，在不同輸出電流下空冷型燃料電池的最佳運行溫度點Topt和對應陰極入口風速vopt的值是不同的。而實際運行中電池的負載電流是隨實際需求波動的，僅有幾個離散的最佳溫度點無法實現準確的溫度調控，需要掌握每一負載電流下對應的最優運行溫度。

圖10 最佳運行溫度和理想陰極入口風速的擬合曲線

圖10為最佳運行溫度和陰極入口風速隨電流密度變化的關系。當電堆負載電流較小（5.5 A以下）時，風扇保持最低轉速工作，只需要滿足電化學反應的氧氣計量比要求，此時理想陰極入口風速為一個恒定值；而當電堆負載電流很大（66 A以上）時，為了保證空冷型燃料電池的熱穩定性，防止電池失效，風扇始終以最大轉速工作。因此在這樣的過小和過大負載電流工況下，不以電堆的最優運行溫度值作為控制的目標點，而是直接對風扇轉速進行控制和調節。

利用數據擬合建立一個以空冷型燃料電池負載電流I為自變量的電堆最優運行溫度和陰極入口風速的函數關系，得到函數關系如式（1）和式（2）所示

式中，A為空冷型燃料電池活性面積，vmin為滿足電化學反應的氧氣計量比的最低轉速，vmax為風扇運行的最大轉速。

由于環境和電池本身的波動，空冷型燃料電池在某一負載電流下穩態運行時溫度也是不斷變化的，為了實現良好的溫度控制，保證電池輸出性能和穩定性，需要在電池運行中根據傳感器測量結果實時反饋調整控制風扇輸出功率，控制空冷型燃料電池溫度穩定在最佳運行溫度。本研究利用反饋調節的方法對穩態運行條件下的空冷型燃料電池進行溫度調節控制，在變載時依靠預設的最佳入口風速快速響應，提高響應速度，減小超調量。具體的控制策略如圖11所示，當檢測電流I測不等于設置電流Ia時，根據擬合曲線調節風速；當I測=Ia時，則根據溫度差值進行反饋調節。而Toh為電堆危險溫度，認為是電堆已經脫離了熱穩定狀態，需要進入關機狀態檢修。

圖11 風扇轉速控制策略

2.3 控制策略驗證

結合前文對陰陽極氣路的優化及控制策略的研究，使用包含33節電池電堆的空冷型燃料電池系統測試輸出性能及運行穩定性，驗證優化效果及控制策略有效性。圖12（a）為空冷型燃料電池系統性能測試結果。隨電流逐漸上升，輸出電壓逐漸降低，輸出功率逐漸增加。達到額定工作電流（55 A）時，系統輸出功率達到1080 W。在堆芯中每3節采集1節電池的電壓，不同電流密度下的節間電壓分布如圖12（b）所示，額定工作點下電壓分布標準差小于5 mV，各節電壓一致性好。

圖12 空冷型燃料電池系統性能測試結果

對空冷型燃料電池系統開展運行穩定性測試，在電流密度為500 mA/cm2的情況下持續運行1 h。實驗過程中系統輸出電壓與電堆溫度測試結果如圖13所示。測試開始前，電堆初始溫度為53.1℃，單電池平均電壓為0.657 V。測試開始后10 min內，由于電池內部水熱狀態還未達到平衡狀態，電堆輸出電壓出現持續衰減，單電池平均電壓降低至0.642 V；10 min后直至測試結束的過程中，輸出電壓基本保持不變，單電池平均電壓從0.642 V變為持續運行1 h后的0.637 V，波動范圍相對于平均測量結果不到1%，運行穩定性良好。

圖13 空冷電池系統穩態運行測試結果

同時，電池運行過程中系統風扇會根據電堆實際溫度反饋調節風速，保證電堆溫度始終在理想工作溫度55℃左右，整個實驗過程中空冷電池穩定運行，熱穩定性良好，溫度波動范圍為52.7~57.9℃。

綜上所述，根據本研究提出的系統控制策略集成的空冷燃料電池系統在穩態運行條件下能夠保證工作溫度在理想值附近，同時電池的輸出和穩定性良好。

2結果分析

本研究基于空冷型燃料電池原位測試平臺，對陽極氫氣側雙向供氣氣路結構和陰極空氣側強化中間區域散熱的差異化風速單風扇配置方案開展了實驗研究，對陽極氫氣脈排間隔時間、電堆最佳運行溫度、陰極入口風速等參數進行了優化，并進一步提出了相應的氫氣控制策略和空氣控制策略。根據測試結果，可以得到以下結論。

1）隨脈排間隔時間增加，單電池輸出電壓在單個脈排周期內的衰減值逐漸上升，電流密度分布均勻性無明顯變化。為保證較高的氫氣利用率和較低的電壓衰減值，在0~400 mA/cm2負載層次將脈排間隔時間設置為60 s，在400~600 mA/cm2負載層次設置為40 s，在600 mA/cm2以上設置為20 s。

2）強化中間區域散熱的差異化風速單風扇配置方案使得空氣在垂直于陰極流道方向上的分配更契合空冷型燃料電池需求，電池輸出性能提高，單電池內溫度和電流密度的分布均勻性改善。此外，單風扇配置相較于雙風扇配置在相同功率下為中間核心發熱區域提供了更高的風速，散熱更充分，使得電池平均溫度降低。

3）針對本研究的空冷型燃料電池，提出分段式風扇轉速控制策略：當電堆負載電流低于5.5 A時，風扇保持在滿足計量比要求的最低轉速工作；在5.5~66 A的常規負載電流區間內，在變載時依靠預設的最佳入口風速快速響應，在穩態運行時利用反饋調節對空冷型燃料電池進行溫度調節控制；當電堆負載電流高于66 A時，風扇始終以最大轉速工作，保證空冷型燃料電池的熱穩定性，防止電池失效。

4）基于控制策略設計了包含33節電池的空冷型燃料電池系統，在500 mA/cm2電流密度下持續運行的1 h內系統運行穩定，電池電壓波動小于1%，溫度維持在55℃附近，波動范圍為52.7~57.9℃，表明控制策略有效。

3結論

本文作者：趙小軍，王智虎，陳敏學，邱殿凱

作者簡介：趙小軍， 上海交通大學機械與動力工程學院， 國家燃料電池技術創新中心， 高級工程師，研究方向為燃料電池及電解水制氫； 邱殿凱（通信作者）， 上海交通大學機械與動力工程學院， 教授，研究方向為燃料電池及微細制造。

原文發表于《科技導報》2025年第3期，歡迎訂閱查看。

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