引言聚合物电解质膜燃料电池(PEFC)具有绿色环保、高能量密度和低噪声等特性，是下一代绿色能源利用技术[1]。PEFC的工作范围低于100 ℃，其阴极产生的水以气、液形态存在。液态水过多会引发水淹，阻碍氧气传输[2]，导致电极氧饥饿甚至老化。膜脱水会导致膜破裂，因此，合理的水热管理对提高电池寿命至关重要[3]。为了提升水热管理效果，通常进行阴极流场设计。传统流场包括平行流场[4]、蛇形流场[4]、叉指流场[4]和泡沫流场[5]。Yu[6]等研究丰田Mirar燃料电池汽车使用的细网格流场，发现该流场具有导引空气的作用，增强了排水和氧气传输。另外，局部温度和气体流速过高都会导致膜脱水[7]。Lee[8]等研究干燥条件下流场肋的保水性能，结果表明，更大肋有助于提升保水性能。水、热管理是相互影响。通过空气冷却[9]、被动冷却、液体冷却和相变冷却也可以进行水热管理。Matian[10]等研究冷却通道尺寸对冷却性能的影响，设置更大的通道尺寸可以改善均温性能。Luo[11]等使用超薄热管提升了PEFC散热和电流分布，且温差在0.3 K以内。Choi等[12]利用HFE-7100冷却液冷却PEFC，研究冷却液的传热特性，结果表明，对流传热系数与热通量和蒸汽质量有很大关系。与上述水热管理技术相比，雾化具有冷却电池、改变空气湿度并激活PEFC的潜在能力，通过雾化调节PEFC性能的研究较少。从雾化特性出发，研究雾化冷却、非持续性雾化调节水热平衡以及雾化激活电池等对PEFC的影响。1PEFC工作原理PEFC的工作原理如图1所示。阴、阳极气体通道内分别通入空气和氢气。在通道内，气体经过扩散层传输至催化层进行催化反应。氢气在阳极被催化分解成质子和电子，两者分别通过膜和外电路到达阴极，与氧气结合生成水并产热。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F001图1PEFC的工作原理2实验系统介绍雾化-燃料电池性能测试系统如图2所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F002图2雾化-燃料电池性能测试系统PEFC为风冷式燃料电池堆，阴极通道空气由风扇供应；氢气经氢气供应管路输入电池，雾化由超声波雾化器产生通过风扇送入阴极侧；核心风冷式燃料电池堆由10个电池组成（工作电压0~10 V）。系统工作时，氢气和空气通入电池5 min，控制电子负载使PEFC以恒电压模式进行极化测试。利用Agilent 34972A采集热电偶温度。在雾化研究过程，雾化液滴经过风道被吸入电池堆中进行实验。3实验概况根据研究目标进行雾化冷却实验、非持续性雾化处理实验以及雾化激活电池实验。雾化冷却实验研究不同雾化量的冷却PEFC效果；非持续性雾化实验中，送雾化PEFC一段时间后停止使用，接着进行极化特性测试；雾化激活电池实验中，利用雾化改变空气湿度和冷却能力，探究雾化量与风速协同水热调节，重新激活电池或恢复电池性能。3种实验的操作条件如表1所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.T001表13种实验的操作条件实验组PEFC工作电压/V风扇电压/V风扇电流/A雾化量/(mL/h)其他雾化冷却8.0~5.0120.1225、50、75、100无非持续性雾化8.0~5.0120.12100雾化处理时间为10、15、20 min雾化激活电池8.0~5.0，4.5120.12被动式由附加放置与风道的风扇控制附加风扇功率1.73~2.40 W (6 V)4结果与讨论4.1不同雾化量对PEFC输出性能的影响不同雾化量对PEFC极化特性的影响如图3所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F003图3不同雾化量对PEFC极化特性的影响由图3可知，输出电流随着工作电压的降低而增加；工作电压为8.0~6.5 V时，电池处于活化损失状态，雾化混合空气的雾化流提升了水活度而降低活化损失。与不使用雾化相比，100 mL/h雾化量下，电流输出提升约5%。在低工作电压状态时，产热量升高与水淹问题容易引发局部过热、温度不均匀。由于雾化液滴具有蒸发吸热特性，可以将电池内部热量带走，改善局部过热问题，工作电压为5.5~5.0 V时电流输出得到提升。不同雾化量对PEFC内部平均温度的影响如图4所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F004图4不同雾化量对PEFC内部平均温度的影响由图4可知，低工作电压下，PEFC产热率逐渐增加，引起内部温度升高。雾化液滴的蒸发吸热特性使增加雾化量的冷却效果更优。工作电压为5.0 V时，与不使用雾化相比，100 mL/h的雾化量使电池平均温度降低约10 ℃。结果论证了雾化在PEFC中的冷却作用，可以改善局部过热问题。在所有工作电压下，100 mL/h雾化量的冷却效果最佳。雾化冷却可以避免因过热而引发的热失控问题，使电池堆在更低工作电压下运行。4.2雾化操作时间对PEFC输出性能的影响雾化冷却实验研究正常工作温度范围（60 ℃以内）下的雾化冷却效果，但可持续的雾化过程中，雾化液滴会在PEFC内堆积，易引发阴极水淹。因此，探究非持续雾化操作 (10 min、15 min、20 min) 对PEFC输出性能的影响。100 mL/h雾化量下，雾化操作时间对PEFC极化特性的影响如图5所示。与不使用雾化相比，不同操作时间的非持续性雾化PEFC的极化性能均明显提升。雾化操作时间越长，极化特性越好。本项研究的商业级PEFC应用的工作电压为6.0 V。通过评估，与不使用雾化相比，雾化操作时间为20 min、电压为6.0 V时，电池输出功率增加约20%。雾化的非持续操作提高了催化反应所需的水活度，短时间非持续性操作避免了水汽堆积引起的水淹现象。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F005图5雾化操作时间对PEFC极化特性的影响雾化20 min，工作电压由5.0 V阶跃回6.0 V时，观察PEFC的输出性能。雾化操作后工作电压为6.0 V的PEFC的输出性能如图6所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F006图6雾化操作后工作电压为6.0 V的PEFC的输出性能由图6可知，雾化20 min，工作电压由5.0 V阶跃回6.0 V时，PEFC堆的电流为2.18 A；与不使用雾化相比，正常循环测试PEFC的电压为6.0 V时，电流输出仅为1.667 A。非持续性雾化后，低工作电压阶跃回高工作电压时，电流的输出显著提升，该现象由电池温度提高和反应界面水活度增加导致。时间经过2 500 s，电流输出从2.18 A逐渐衰减为1.815 A，因为送风风扇不断吹走电池内部水分，降低了水活度。但电流输出依然比不使用雾化处理过的电池堆高出8.87%。4.3风扇功率对PEFC堆的最大功率的影响雾化水热管理实验表明，雾化气体中含有大量的雾化液滴，可以蒸发冷却电池，但过多的雾化量会导致阴极水淹。增加风速能够提升冷却和吹走过量液态水，从而解决水淹问题，改善电池的极限功率输出。因此，需要探究雾化量与风量的协同作用，实现最佳的水热调节。在使用雾化条件下，探究雾化与送风量协同对电池性能的影响，采用不同风扇功率将雾化气体吹入PEFC堆，进行雾化激活电池实验。在完成上述两个实验的一个月后进行雾化激活电池实验。经过3 d的活化后，电池的最终性能为电压5.0 V时电流输出稳定在2.633 A。实验过程中，风扇功率分别为1.73 W、2.00 W和2.40 W。恒电压循环测试时PEFC的电流电压随时间的变化如图7所示。随着工作电压的降低，电池电流不断增大。工作电压较低时，电流输出并不稳定。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F007图7恒电压循环测试时PEFC的电流电压随时间的变化不同风扇功率下高电流输出的稳定性能如图8所示。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F008图8不同风扇功率下高电流输出的稳定性能由图8可知，电池工作电压从5.0 V阶跃到4.5 V时，风扇功率2的PEFC电流输出极其不稳定，风扇功率3的电流输出极其稳定，最大电流可以达到4.09 A。这表明此刻的风扇送风风速和雾化量恰好使催化界面的温度和水淹得到有效控制，处于稳定平衡状态。风扇功率1和风扇功率2的情况下，即使在工作电压为5.0 V，电流输出依然有轻微衰减过程，表明此刻电池内部不能实现有效水热平衡，不能维持稳定的功率输出。雾化与送风协同能够有效维持电池的极限输出，提升输出稳定性。不同风扇功率下雾化冷却-PEFC的极化特性如图9所示。与不使用雾化相比，在工作电压为5.0 V，使用风扇功率3进行雾化量与送风协同实验时，输出电流增加21.07%，接近电池出厂时的性能，实现PEFC的重新激活。与不使用雾化相比，风扇功率3时使用雾化的PEFC堆的极限功率输出提升39.8%，比刚出厂时PEFC堆的极限功率提升24.9%。10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006.F009图9不同风扇功率下雾化冷却-PEFC的极化特性5结语为了探究雾化技术在聚合物电解质膜燃料电池(PEFC)水热管理的应用，研究雾化技术的冷却作用、非持续雾化以及雾化协同送风量（雾化激活电池）对电池性能的影响，主要结论如下：通过研究雾化量对电池性能的影响，发现使用雾化输送进入PEFC堆中，对电池性能有一定提升作用。雾化量为100 mL/h时，电池堆内部平均温度降低10 ℃。非持续性的雾化能够提升所有工作电压范围的电池性能。工作电压为6.0 V时，雾化处理20 min的电池堆功率提升约20%。在非持续性雾化性能测试之后，工作电压从5.0 V阶跃到6.0 V，发现至少在2 500 s之后，此时输出电流比不使用雾化同等条件的高出8.87%。在雾化协同送风量实验中，雾化可以重新激活电池。合适的雾化协同送风条件可以明显提升PEFC在高电流输出下的稳定性，并提升PEFC堆的极限输出功率，比出厂前的电池堆性能提升24.9%。