樊智鑫 宋珂 章桐

（同濟大學(xué)，汽車學(xué)院，上海 201804）

主題詞：空冷質(zhì)子交換膜燃料電池 性能優(yōu)化 膜電極優(yōu)化 結(jié)構(gòu)優(yōu)化 控制技術(shù)

1 空冷質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)概述

近年來，全球變暖、空氣污染、能源緊缺等問題日益突出，燃料電池作為一種新的能源形式因其具有高效率和零排放的特點而受到越來越多的關(guān)注。其中，質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）因其高功率密度、低工作溫度、相對快速的啟動和關(guān)閉等優(yōu)點，被認(rèn)為是未來汽車的理想動力源之一，已成為研究的熱點[1-3]。

PEMFC 電堆由端板、膜電極組件（Membrane Electrode Assemblies，MEA）和帶有氣體流動通道的雙極板等部件組成，其中，MEA 包括質(zhì)子交換膜（Proton Exchange Membrane，PEM）、催化劑層（Catalyst Layer，CL）和氣體擴散層（Gas Diffusion Layer，GDL）。在PEMFC 的運行過程中，陽極處的氫氣分子在催化劑的作用下分解為質(zhì)子和電子，中間的質(zhì)子交換膜僅允許質(zhì)子通過而傳輸至陰極，而電子則必須通過外部電路移動到陰極，從而形成電流。陰極的氧氣與質(zhì)子和電子反應(yīng)生成水并放出熱量[4]，因此，燃料電池需要冷卻子系統(tǒng)將反應(yīng)產(chǎn)生的多余熱量及時帶走以維持電堆的穩(wěn)定工作。雖然水冷PEMFC系統(tǒng)可以使燃料電池穩(wěn)定地保持在高效的運行狀態(tài)，但是其需要較多的輔助設(shè)備，這會增加整個系統(tǒng)的體積、控制復(fù)雜性、寄生功率和成本。而空冷PEMFC系統(tǒng)則將氧氣供應(yīng)子系統(tǒng)與冷卻子系統(tǒng)集成在一起，陰極中的空氣不僅是反應(yīng)所需的氧氣來源，同時也是系統(tǒng)的冷卻劑，這使得冷卻子系統(tǒng)不再需要管道、閥門、泵和熱交換器，甚至在小功率自增濕的空冷PEMFC 中不需要壓縮機和加濕器，從而大大簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，有助于降低PEMFC 系統(tǒng)的質(zhì)量和成本，并減小體積[5]。圖1 所示為空冷燃料電池的結(jié)構(gòu)，空冷PEMFC系統(tǒng)通常采用開放式陰極設(shè)計，并由1個或幾個風(fēng)扇將空氣吸入燃料電池陰極通道。

圖1 空冷燃料電池結(jié)構(gòu)示意

但是，空冷PEMFC 系統(tǒng)也存在明顯的缺點。與液體相比，空氣的散熱能力較弱，因此空冷系統(tǒng)的冷卻效率明顯低于水冷系統(tǒng)，過高的溫度會使質(zhì)子交換膜的水含量降低，膜干燥會降低質(zhì)子在膜內(nèi)的傳輸能力，從而導(dǎo)致燃料電池的歐姆電阻升高，輸出性能變差。盡管提高陰極空氣流速可以增強冷卻效果，但快速流動的空氣會從膜電極中帶走更多的水，從而導(dǎo)致質(zhì)子交換膜內(nèi)無法維持足夠的濕度，使得燃料電池的輸出性能變差[6]?；谝陨显颍壳翱绽銹EMFC 通常只應(yīng)用在低功率級別的系統(tǒng)中[7]。為了提高空冷PEMFC的輸出性能，國內(nèi)外學(xué)者開展了多方面的研究。

2 空冷燃料電池性能優(yōu)化

空冷燃料電池的性能受到多種因素的影響：一方面，燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)是在膜電極中進(jìn)行的，膜電極的性能會在很大程度上影響燃料電池的輸出性能；另一方面，空冷燃料電池的結(jié)構(gòu)和控制策略會對電堆內(nèi)部的水、氣、熱分布產(chǎn)生重要影響，進(jìn)而影響內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)和電堆的輸出性能。

目前，空冷燃料電池輸出性能優(yōu)化的研究主要集中在膜電極優(yōu)化、電堆結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制技術(shù)這3 個方面，除此之外，還有余熱利用、新型材料應(yīng)用等方面的一些研究。

2.1 空冷燃料電池膜電極組件優(yōu)化

由于空冷燃料電池的結(jié)構(gòu)和使用工況與水冷燃料電池有較大區(qū)別，所以有必要對空冷燃料電池的膜電極進(jìn)行專門的優(yōu)化研究，包括膜電極整體結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其組件的結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化。

2.1.1 膜電極結(jié)構(gòu)研究

膜電極的結(jié)構(gòu)按照催化劑層涂覆的位置可分為2種，涂覆在質(zhì)子交換膜上的結(jié)構(gòu)稱為催化劑涂覆膜（Catalyst Coated Membrane，CCM），涂覆在氣體擴散層上的結(jié)構(gòu)稱為氣體擴散電極（Gas Diffusion Electrode，GDE）。采用這2種膜電極的空冷燃料電池在性能上會有較大的差異。

Wu 等[8]在保持膜電極成分和其他組件一致的前提下，分別用CCM 膜電極和GDE 膜電極制作空冷燃料電池，并進(jìn)行了性能對比測試，結(jié)果表明，采用CCM 膜電極的空冷燃料電池在室溫下能夠更充分地利用鉑催化劑，其性能比采用GDE膜電極的空冷燃料電池更好，而在高溫下，2種燃料電池的性能均會出現(xiàn)明顯下降。劉文明[9]在Wu 等的研究基礎(chǔ)上，使用同樣的方法進(jìn)行測試試驗，對高溫下2 種燃料電池的性能進(jìn)行對比，結(jié)果表明，隨著溫度升高，2 種膜電極的相對濕度均會出現(xiàn)明顯下降，從而降低了質(zhì)子在膜上的傳導(dǎo)能力，導(dǎo)致2種空冷燃料電池的性能下降到接近的水平。

由上述研究可知，采用CCM 結(jié)構(gòu)的膜電極制備空冷燃料電池可以使燃料電池獲得更優(yōu)的輸出性能。

2.1.2 催化劑層優(yōu)化研究

催化劑層的優(yōu)化研究主要集中于催化劑層厚度和鉑催化劑含量2個方面。

Paloma 等[10]分別使用鉑含量為20%、40%和60%的Pt/C 催化劑制備了鉑載量為0.17 mg/cm2的陰極催化層，并在空冷燃料電池上進(jìn)行試驗測試，結(jié)果表明，在陰極使用高鉑含量的催化劑可以減小催化劑層的厚度，有利于氧氣和氫質(zhì)子進(jìn)入電化學(xué)反應(yīng)活化中心區(qū)域，提高鉑催化劑的利用率，從而獲得了更優(yōu)的電池性能。Liu等[11]也通過制備不同鉑含量的催化劑層進(jìn)一步研究了催化劑層性質(zhì)對空冷燃料電池性能的影響，結(jié)果表明，在燃料電池電流密度較小的條件下能夠獲得與文獻(xiàn)[10]相同的結(jié)論，但是在燃料電池電流密度較大的條件下，較厚的催化劑層可以起到更好的保水作用，為電化學(xué)反應(yīng)提供更合適的濕度條件，從而提高空冷燃料電池的性能。

因此，催化劑層的厚度對空冷燃料電池性能的影響機制為：一方面，較薄的催化劑層可以提高鉑催化劑的利用率；另一方面，較厚的催化劑層又可以在高溫低濕條件下維持良好的濕度條件。所以，為了使空冷燃料電池的性能最優(yōu)，應(yīng)該結(jié)合其預(yù)期的運行溫、濕度條件，選擇合適的的催化劑層厚度及相應(yīng)的鉑催化劑含量。

2.1.3 氣體擴散層優(yōu)化研究

空冷燃料電池的陰極采用風(fēng)扇吸氣，陰極空氣的進(jìn)氣壓力接近大氣壓，而陽極的進(jìn)氣壓力也多采用大氣壓或略高于大氣壓，所以空冷燃料電池的氣體擴散層應(yīng)該具有良好的透氣性。此外，氣體擴散層還應(yīng)具有一定的疏水性，以排出堆內(nèi)多余的水，同時保持適宜反應(yīng)的濕度條件。目前，對空冷燃料電池氣體擴散層的優(yōu)化研究主要從厚度優(yōu)化、疏水性處理和微孔層結(jié)構(gòu)等方面展開。

Pei[12]等研究了氣體擴散層厚度對空冷燃料電池性能的影響，使用0.2 mm、0.4 mm、0.6 mm、0.8 mm 和1.0 mm 共5 種厚度的氣體擴散層制作了8 片燃料電池并串聯(lián)整合成一個空冷燃料電池電堆，逐片進(jìn)行單片電壓檢測并改變單片燃料電池排列順序進(jìn)行了二次檢測以排除電堆不同位置對性能的影響。結(jié)果顯示，厚度適中的0.6 mm氣體擴散層的燃料電池單片始終具有最優(yōu)的輸出性能，這是因為較薄的氣體擴散層不能起到足夠的保水作用，陰極側(cè)空氣從膜電極中帶走過多的水從而導(dǎo)致質(zhì)子交換膜脫水，而較厚的氣體擴散層又會對水、氣的傳輸造成阻礙，并有可能導(dǎo)致氣體擴散層發(fā)生水淹故障。

通過使用聚四氟乙烯（Polytetrafluoroethylene，PTFE）對氣體擴散層進(jìn)行疏水性處理有助于優(yōu)化燃料電池的水、氣管理[13]。Pei[12]和熊子昂[14]均使用不同PTFE含量的氣體擴散層制作了空冷燃料電池并進(jìn)行了性能對比測試。雖然兩者在試驗中所使用的空冷燃料電池性能參數(shù)和運行環(huán)境不同，導(dǎo)致得到的最優(yōu)PTFE 含量不同，但總體規(guī)律是一致的：氣體擴散層中的PTFE含量增加可以提高擴散層的疏水性，防止氣體擴散層的微孔被水堵塞，有利于氣體的傳輸；但是當(dāng)PTFE 含量過高時，擴散層的微孔因被PTFE 覆蓋而導(dǎo)致孔徑減小甚至被完全堵塞，降低了擴散層的孔隙率，增大了氣體通過擴散層的阻力。

另外，呂維忠等[15]研究了空冷燃料電池的非對稱氣體擴散層，通過對陰極和陽極氣體擴散層采用不同厚度的碳紙、不同PTFE 載量等方法研究了非對稱氣體擴散層對空冷燃料電池性能的影響。試驗結(jié)果表明：增大陽極擴散層厚度、減小陰極擴散層厚度均能提高空冷燃料電池的性能；通過提高陽極擴散層疏水性，降低陰極擴散層疏水性，能夠促進(jìn)質(zhì)子交換膜陽極側(cè)的保水和陰極側(cè)的排水，有利于保持質(zhì)子交換膜的濕度并避免發(fā)生水淹故障，從而提高空冷燃料電池的性能。

所以，為了使空冷燃料電池性能最優(yōu)，應(yīng)該結(jié)合燃料電池的預(yù)期外特性參數(shù)和運行環(huán)境，分別對陰極和陽極氣體擴散層的厚度和PTFE疏水性處理措施進(jìn)行合理設(shè)計。

2.1.4 質(zhì)子交換膜優(yōu)化研究

質(zhì)子交換膜是燃料電池膜電極的關(guān)鍵部件之一，一般采用全氟磺酸（Nafion）膜，此外還有其他的復(fù)合膜。不同類型和參數(shù)的質(zhì)子交換膜制備的空冷燃料電池在輸出性能上有所差異。

Liu 等[16]分別使用Nafion 212 膜（厚度為50 μm）和Nafion 211 膜（厚度為25 μm）制備了空冷燃料電池，并在多種空氣計量比和溫、濕度環(huán)境下對2個燃料電池的性能進(jìn)行了對比測試。結(jié)果表明，在所有的測試環(huán)境下，Nafion 211 膜制備的燃料電池都具有更高而且穩(wěn)定的輸出性能，故較薄的質(zhì)子交換膜可以提高空冷燃料電池的輸出性能。該現(xiàn)象產(chǎn)生的原因為：一方面，較薄的膜具有更高的質(zhì)子傳導(dǎo)性，降低了燃料電池的內(nèi)阻；另一方面，較薄的膜有利于陰極產(chǎn)生的水轉(zhuǎn)移到陽極，從而保持陽極的濕度條件。劉文明[9]分別使用厚度為17 μm、25 μm 的Nafion/PTFE 復(fù)合膜和Nafion 211 膜制備了空冷燃料電池并在55 ℃的工作溫度下進(jìn)行了性能對比測試。結(jié)果表明，相同厚度的復(fù)合膜比Nafion膜更適合空冷燃料電池高溫、低濕、高空氣流速的運行工況，從而提高燃料電池的輸出性能，并且使用較薄的復(fù)合膜更有利于提高空冷燃料電池的性能。但是，根據(jù)Zhao等[17]的研究，隨著質(zhì)子交換膜厚度減小，氫的滲透率會增大，較高的氫滲透率會加速膜的降解，從而縮短燃料電池的使用壽命。

所以，研制能夠在保證使用壽命的前提下盡可能薄的新型復(fù)合質(zhì)子交換膜，是優(yōu)化空冷燃料電池性能的研究方向之一。

總的來看，對空冷質(zhì)子交換膜燃料電池的膜電極組件進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，采用CCM膜電極結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計催化劑層和氣體擴散層的厚度和親疏水性，使用盡可能薄的復(fù)合質(zhì)子交換膜，都有助于提高空冷燃料電池的輸出性能。

2.2 空冷燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過對空冷燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化來提升燃料電池輸出性能的研究，主要是從對結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行優(yōu)化和設(shè)計新型結(jié)構(gòu)兩方面開展的。

2.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

空冷燃料電池結(jié)構(gòu)尺寸的優(yōu)化主要是針對陰極空氣流道的幾何尺寸進(jìn)行的，圖2展示了空冷燃料電池的陰極空氣流道及其具體幾何尺寸。

圖2 空冷燃料電池的陰極空氣流道示意

Sasmito 等[18]基于凝聚模型和現(xiàn)象學(xué)模型，并結(jié)合燃料電池中的兩相流守恒關(guān)系，建立了由燃料電池堆、風(fēng)扇和運行環(huán)境組成的空冷燃料電池的數(shù)學(xué)計算模型。將陰極空氣流道的高度分別設(shè)置為0.5 mm、1.5 mm 和3.0 mm 進(jìn)行計算，以研究陰極流道高度對于空冷燃料電池輸出性能的影響，計算結(jié)果如圖3 所示。計算結(jié)果表明，隨著陰極流道高度的增加，空冷燃料電池的冷卻能力得到增強，進(jìn)而可以在燃料電池單片電壓Ecell≤0.8 V 的工況下，提高空冷燃料電池的輸出性能。

圖3 陰極流道高度對空冷燃料電池性能的影響[18]

Sasmito 等[19]還利用上述空冷燃料電池數(shù)學(xué)計算模型進(jìn)行了陰極空氣流道長度對空冷燃料電池輸出性能影響的研究，分別將陰極流道的長度設(shè)置為4.5 cm、9.0 cm 和18.0 cm，計算結(jié)果如圖4 所示。計算結(jié)果表明，陰極流道長度的減小可以有效地提高空冷燃料電池的電流密度。但是流道長度的減小也就意味著電堆長度的減小，反應(yīng)的活化面積將隨之減小，從而可能導(dǎo)致燃料電池整體的輸出電流下降。在之后發(fā)表的文獻(xiàn)中，Sasmito 等[20]采用田口統(tǒng)計學(xué)分析方法對空冷燃料電池陰極流道長度設(shè)計問題進(jìn)行了進(jìn)一步研究，結(jié)果表明：較短的流道長度可以使空冷燃料電池的平均電流密度更高，但是難以滿足較高輸出功率的需求，因此在電堆設(shè)計時需要進(jìn)行綜合考量。

總的來看，陰極流道的尺寸會對空冷燃料電池的輸出性能造成一定影響，適當(dāng)調(diào)整陰極流道設(shè)計參數(shù)可以提高空冷燃料電池的輸出性能，但是具體的改進(jìn)設(shè)計還應(yīng)該結(jié)合空冷燃料電池的體積、功率密度和成本等因素進(jìn)行綜合考慮。

圖4 陰極流道長度對空冷燃料電池性能的影響[19]

2.2.2 新型結(jié)構(gòu)設(shè)計

用于優(yōu)化空冷燃料電池性能的新型結(jié)構(gòu)設(shè)計大致可以分成兩類：一類是對原有部件的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改型設(shè)計；另一類是在空冷燃料電池上添加新的功能性部件。

原有部件改型設(shè)計主要是針對雙極板上的流道進(jìn)行的，Jaeseung 等[21]提出了一種將反應(yīng)空氣和冷卻空氣分開的空冷燃料電池雙極板設(shè)計，如圖5 所示，冷卻流道入口面積大于反應(yīng)流道入口面積，因此冷卻流道空氣流量大于反應(yīng)流道空氣流量，有利于增強電堆的冷卻效果。并且反應(yīng)空氣流道的截面積沿空氣流向逐漸增大，而冷卻流道的截面積沿空氣流向逐漸減小，這一設(shè)計使得空氣在反應(yīng)物流道內(nèi)逐漸減速，避免空氣流速過快，有利于維持膜電極中的水含量，從而在增大冷卻空氣流速的同時保證空冷燃料電池較好的輸出性能。但是由于這種設(shè)計中將反應(yīng)流道和冷卻流道分開，會使得電堆在體積不變的情況下反應(yīng)面積減小，導(dǎo)致燃料電池的功率密度降低。

另一類新型結(jié)構(gòu)設(shè)計是在空冷燃料電池上添加新的功能性部件，以優(yōu)化電堆的冷卻效果，進(jìn)而提升燃料電池的輸出性能。Heras等[22]提出了一種在燃料電池堆和風(fēng)扇之間添加錐形漏斗的設(shè)計方案，結(jié)構(gòu)如圖6 所示。錐形漏斗的入口形狀完全適合電堆陰極出口側(cè)的輪廓，從而消除了電堆與空氣流引發(fā)裝置之間的空間，避免了空氣從電堆周圍流過的優(yōu)先路徑，迫使更多的空氣穿過電堆內(nèi)部，為燃料電池陰極帶來更多的氧氣，并能達(dá)到更好的冷卻效果。試驗結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)可以更加均勻地將空冷燃料電池的溫度控制在高效區(qū)間內(nèi)，從而提高了燃料電池的效率，使得燃料電池在消耗相同氫氣的情況下輸出更多的電能。但是由于錐形漏斗體積較大，導(dǎo)致整個空冷燃料電池的體積大幅增加。

圖5 反應(yīng)空氣與冷卻空氣分離的陰極變截面流道設(shè)計示意[21]

圖6 添加錐形漏斗的空冷燃料電池系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意[22]

Mohamed 等[23]提出了一種在空冷燃料電池堆的上端添加散熱片的設(shè)計方案，通過對空氣速度矢量和電堆頂端邊界層厚度的分析，得出散熱片的最佳形狀及高度，改進(jìn)后的電堆結(jié)構(gòu)如圖7所示。應(yīng)用計算流體力學(xué)（Computational Fluid Dynamics，CFD）仿真研究了新型結(jié)構(gòu)空冷燃料電池的溫度分布，結(jié)果表明，添加頂部散熱片不僅可以獲得更高的冷卻效率，還可以使更多的熱量轉(zhuǎn)移到散熱片上，從而提高了電堆內(nèi)溫度分布的均勻性。更高的冷卻效率可以提升燃料電池的輸出性能，而更均勻的溫度分布則可以提高燃料電池的使用壽命。但是與添加漏斗的設(shè)計類似，添加散熱片的設(shè)計也會導(dǎo)致空冷燃料電池的體積增大。

圖7 添加頂端散熱片的空冷燃料電池結(jié)構(gòu)及溫度分布[23]

Pl?ger等[24]提出了一種在空冷燃料電池陰極進(jìn)口前添加擾流格柵的設(shè)計方案，如圖8所示，擾流格柵的作用是提高進(jìn)入陰極流道內(nèi)的空氣的湍流強度，促使流道邊緣溫度較高的空氣和流道中央溫度較低的空氣充分混合，有利于增大冷卻空氣與陰極流道壁面之間的溫度差，增強對流換熱的效果，使電堆維持在合理溫度范圍內(nèi)，從而提升燃料電池的輸出性能。通過CFD仿真對格柵的形狀、尺寸和位置進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，試驗結(jié)果表明，優(yōu)化后的擾流格柵可以使空冷燃料電池的輸出性能提高10.42%。由于擾流格柵為扁平狀，所以這種設(shè)計在體積控制上比添加錐形漏斗或散熱片的方案更具優(yōu)勢。雖然該設(shè)計目前沒有表現(xiàn)出優(yōu)化燃料電池溫度分布的作用，但是理論上可以通過對不同區(qū)域的擾流柱進(jìn)行差異化設(shè)計來實現(xiàn)，從而進(jìn)一步提高空冷燃料電池的性能。

圖8 添加陰極進(jìn)氣擾流格柵的空冷燃料電池結(jié)構(gòu)示意[24]

總的來看，通過對空冷燃料電池結(jié)構(gòu)進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計可以有效地提高燃料電池的輸出性能。原有部件的改型設(shè)計可以在空冷燃料電池設(shè)計開發(fā)階段應(yīng)用，不需要添加額外的部件，但是有可能導(dǎo)致燃料電池的功率密度降低，而添加新部件的方法既可以應(yīng)用于設(shè)計開發(fā)階段，也可以在對已有的空冷燃料電池進(jìn)行性能優(yōu)化時應(yīng)用。添加新部件會導(dǎo)致燃料電池的體積增大，相比之下，添加擾流格柵能夠較好地兼顧性能提升和系統(tǒng)尺寸控制。

2.3 空冷燃料電池控制技術(shù)

燃料電池工作時，內(nèi)部的電化學(xué)反應(yīng)與傳質(zhì)傳熱過程都會受到電堆溫度和濕度條件的大幅影響。因此，能否對電堆的溫度和濕度進(jìn)行合理有效的控制，決定了燃料電池輸出性能的優(yōu)劣。就空冷燃料電池而言，由于電堆只依靠冷卻風(fēng)扇形成空氣對流散熱，所以對于溫度的控制只能通過控制風(fēng)扇來實現(xiàn)。雖然控制風(fēng)扇對電堆的濕度也會造成影響，但是溫度、濕度相互耦合，難以通過單獨控制風(fēng)扇同時將電堆的溫度和濕度控制在合適的范圍，所以一般還需要合理控制電堆尾氣排氣閥的開閉周期及間隔實現(xiàn)對電堆濕度的控制。目前，空冷燃料電池的溫、濕度控制方法主要分為兩大類，一類是傳統(tǒng)的PID 控制技術(shù)，另一類是先進(jìn)的控制技術(shù)，如模糊控制和滑?？刂频?。

2.3.1 PID控制

PID控制具有原理簡單、應(yīng)用方便和適應(yīng)性強等優(yōu)點，是目前工業(yè)控制中應(yīng)用最為廣泛的控制技術(shù)，很多學(xué)者基于PID 控制原理提出了提升空冷燃料電池性能的控制方法。游志宇等[25]通過試驗數(shù)據(jù)擬合得出空冷燃料電池工作電流與最佳工作溫度的關(guān)系曲線，由電堆實際溫度與曲線確定出的最佳工作溫度相比較得出溫度誤差，輸入PID 控制器中產(chǎn)生控制信號，實時調(diào)整電堆風(fēng)扇的控制電壓，使電堆保持在最佳工作溫度附近，輸出性能最優(yōu)。彭赟等[26]在確定空冷燃料電池最佳工作溫度時還考慮了環(huán)境濕度條件，由試驗得出不同環(huán)境濕度下電堆電流與最佳工作溫度的關(guān)系曲線，再采用PID 控制方法實現(xiàn)不同濕度條件下的空冷燃料電池最佳工作溫度控制。Li 等[27]基于空冷燃料電池工作電流與最佳工作溫度的關(guān)系，采用增量PID控制方法設(shè)計了燃料電池溫度控制器，結(jié)果表明，固定點增量式PID 溫度控制器相比于傳統(tǒng)PID 控制器能夠更好地跟蹤空冷燃料電池各負(fù)載下的最佳工作溫度軌跡。

2.3.2 滑模控制

滑?？刂颇軌蚩朔到y(tǒng)的不確定性，對干擾和未建模動態(tài)具有很強的魯棒性，尤其是對非線性系統(tǒng)具有良好的控制效果，適合于空冷燃料電池這樣非線性、多輸入的復(fù)雜動態(tài)系統(tǒng)。Sankar 等[28]基于降階滑模觀測器設(shè)計了空冷燃料電池的滑?？刂破?，首先滑模觀測器根據(jù)電堆實測溫度和電壓得出電堆內(nèi)氫氣、氧氣和水的分壓估計值，隨后滑?？刂破鲗⒁陨?個狀態(tài)變量作為輸入，得出電堆的控制信號，即氫氣供給流量和冷卻空氣流速，以保證電堆的溫度和電壓維持在最優(yōu)狀態(tài)，仿真結(jié)果表明，基于觀測器的滑?？刂婆c傳統(tǒng)的PID控制相比，具有更好的跟蹤性能和抗干擾性能，能夠提高空冷燃料電池的能量轉(zhuǎn)化效率。

2.3.3 模糊控制

模糊控制以模糊數(shù)學(xué)理論為基礎(chǔ)，不依賴于完整精確的數(shù)學(xué)模型，設(shè)計者只需對被控系統(tǒng)有較清楚的了解，然后建立模糊規(guī)則來表示系統(tǒng)輸入、輸出變量之間的關(guān)系，從而簡化了控制策略制定的過程?？绽淙剂想姵仉m然不是復(fù)雜的系統(tǒng)，但得到其完整精確數(shù)學(xué)模型并不容易，因此，模糊控制器也被用于空冷燃料電池控制系統(tǒng)中。Ou等[29]針對帶有加濕器的空冷燃料電池開發(fā)了五輸入兩輸出的模糊控制器，以電堆的電流、電壓變化率、氫氣相對濕度、電堆溫度誤差的導(dǎo)數(shù)及二次導(dǎo)數(shù)作為控制器的輸入，根據(jù)基于燃料電池電化學(xué)模型和熱力學(xué)模型制定的模糊規(guī)則，輸出風(fēng)扇速度控制的脈寬調(diào)制信號和加濕器管路開關(guān)的通斷信號，以使空冷燃料電池溫度和質(zhì)子交換膜濕度保持在最佳點附近，試驗結(jié)果表明，所提出的模糊控制器能夠有效地提高空冷燃料電池的輸出功率。

模糊控制雖然相比于PID 控制不需要精確的數(shù)學(xué)模型且抗干擾，但是控制策略中存在的等級量化使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度下降。因此，將模糊控制和PID 控制結(jié)合，構(gòu)成模糊PID控制器，能夠使空冷燃料電池控制系統(tǒng)獲得更好的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能。王斌銳等[30]設(shè)計了空冷燃料電池的模糊增量PID溫度控制算法，利用模糊規(guī)則推理優(yōu)化PID 參數(shù)，由PID 控制輸出風(fēng)扇的控制信號，試驗結(jié)果達(dá)到了±0.5 ℃的控制精度，證明模糊增量PID控制可以在空冷燃料電池負(fù)載緩慢變化時保持電堆的最優(yōu)溫度，實現(xiàn)良好的輸出性能。褚磊民等[31]設(shè)計了針對空冷燃料電池溫度的模糊PID融合控制算法，先利用兩種控制算法分別計算，然后根據(jù)偏差程度對兩種控制的輸出進(jìn)行加權(quán)，得出風(fēng)扇的控制信號，試驗結(jié)果表明，模糊PID融合控制滿足空冷燃料電池的穩(wěn)態(tài)和動態(tài)要求，能夠合理有效地控制電堆的溫度，保證電堆的輸出性能最優(yōu)。

許多學(xué)者對模糊控制進(jìn)行了改善，使得模糊規(guī)則庫可以在控制過程中不斷得以修改優(yōu)化，從而賦予模糊控制系統(tǒng)更強的學(xué)習(xí)能力和自適應(yīng)能力，形成了自適應(yīng)模糊控制，具有很好的穩(wěn)定性和魯棒性。自適應(yīng)模糊控制在空冷燃料電池的優(yōu)化控制方面也有所應(yīng)用，衛(wèi)東等[32]針對空冷燃料電池的溫、濕度控制設(shè)計了自適應(yīng)模糊控制算法，應(yīng)用自適應(yīng)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)算法，通過調(diào)整隸屬度函數(shù)參數(shù)，實現(xiàn)模糊控制規(guī)則的調(diào)整，提高系統(tǒng)控制性能。試驗結(jié)果表明，自適應(yīng)模糊控制能夠滿足快速跟蹤負(fù)載變化和溫、濕度精確控制的要求，使空冷燃料電池在滿足穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能的同時，獲得最優(yōu)的輸出性能。

總的來看，空冷燃料電池可以通過合理的控制技術(shù)實現(xiàn)輸出性能的提升，并且采用多種控制策略相結(jié)合或者具有一定學(xué)習(xí)能力的智能控制系統(tǒng)，都可以進(jìn)一步提升性能優(yōu)化水平。

2.4 其他技術(shù)

除了通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和控制技術(shù)來提高空冷燃料電池輸出性能以外，還有學(xué)者提出了一些其他的技術(shù)來提高空冷燃料電池的輸出性能。

Mohamed 等[33]提出了一種利用空冷燃料電池廢熱的氫氣預(yù)加熱技術(shù)，在陰極空氣流道的出口附近添加熱交換器，引導(dǎo)陽極流道流出的熱空氣進(jìn)入熱交換器，對流經(jīng)熱交換器的即將進(jìn)入電堆參與反應(yīng)的氫氣進(jìn)行預(yù)熱，經(jīng)過預(yù)熱的氫氣具有更高的壓力，根據(jù)反應(yīng)動力學(xué)可知，電化學(xué)反應(yīng)速率將會提升，從而提高燃料電池的輸出性能。文中使用1 kW的空冷燃料電池進(jìn)行試驗驗證，結(jié)果表明該技術(shù)可以使空冷燃料電池的最大功率提高8%～10%。

Hossain 等[34]對金屬泡沫材料在空冷燃料電池中的應(yīng)用進(jìn)行的研究表明，使用金屬泡沫材料制作空冷燃料電池的雙極板可以提高燃料電池的性能。首先，因為金屬材料的電導(dǎo)率和熱導(dǎo)率優(yōu)于石墨材料，所以金屬泡沫雙極板有利于燃料電池內(nèi)部熱量的排出，并減小燃料電池的內(nèi)阻；其次，金屬泡沫雙極板的陰極流道表面具有能夠促進(jìn)空氣混合和破壞毛細(xì)效應(yīng)的微觀結(jié)構(gòu)，使陰極流道具有更大的空氣對流區(qū)域，并能使陰極空氣產(chǎn)生橫向流動的渦流，有利于增強空冷燃料電池的冷卻效果和溫度分布均勻性，從而提高燃料電池的性能。

3 結(jié)束語

本文綜述了空冷燃料電池性能優(yōu)化相關(guān)的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，包括膜電極優(yōu)化、燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化、控制技術(shù)和其他技術(shù)。在膜電極優(yōu)化方面，采用CCM 膜電極結(jié)構(gòu)，合理設(shè)計催化劑層和氣體擴散層的厚度和親疏水性，使用盡可能薄的復(fù)合質(zhì)子交換膜，都有助于提高空冷燃料電池的輸出性能。在燃料電池結(jié)構(gòu)優(yōu)化方面，優(yōu)化陰極空氣流道的長度和高度或者對雙極板上的流道進(jìn)行改型設(shè)計，都是可以在空冷燃料電池設(shè)計開發(fā)階段應(yīng)用的性能優(yōu)化方法。而對于已生產(chǎn)的空冷燃料電池，也可以通過添加散熱片、熱交換器或進(jìn)氣格柵等新型外部部件對電堆的輸出性能進(jìn)行優(yōu)化。在控制技術(shù)方面，由于限制空冷燃料電池輸出性能的主要原因是空氣冷卻效果較差，所以控制對象集中在電堆的風(fēng)扇和濕度調(diào)節(jié)裝置。各種控制技術(shù)都是通過將電堆溫、濕度維持在最優(yōu)點附近來獲得最優(yōu)的輸出性能。其他技術(shù)主要有余熱利用和新型材料的應(yīng)用等。

總的來看，空冷燃料電池性能優(yōu)化方法的未來發(fā)展方向為：基于新型材料的應(yīng)用，開發(fā)新型的復(fù)合質(zhì)子交換膜和雙極板；對膜電極的結(jié)構(gòu)、陰極空氣流道的結(jié)構(gòu)和尺寸進(jìn)行改進(jìn)優(yōu)化，并引入新的功能性部件；針對新結(jié)構(gòu)的電堆提出對應(yīng)的智能化控制策略。