华北电力大学工程热物理研究中心王晓东教授与湖南理工学院机械工程学院万忠民教授合作开展了大功率质子交换膜燃料电池电堆动态性能的研究，探究了在封闭阳极运行模式下，阴极进气量对kW级风冷燃料电池电堆动态性能、温度动态演化过程、阳极侧液态水积累特征的影响，为理解kW级风冷燃料电池电堆的设计制造及水热管理改良做出了贡献。研究成果发表在爱思唯尔期刊International Journal of Hydrogen Energy，论文标题为“Dynamic performance for a kW-grade air-cooled proton exchange membrane fuel cell stack”，其中论文第一作者为祝开麒同学，第二作者为丁权同学，第三作者为徐江海同学，万忠民教授、王晓东教授共同作为通讯作者。

质子交换膜燃料电池因其转换效率高、功率密度高、零污染物排放、启动相对快等优点，被广泛认为是一种很有前途的能量转换装置。对于某些特殊需求下（应急电源、便携式电源及无人机电源等）所采用的质子交换膜燃料电池来说，如何选择合适的冷却方式、供/排气运行模式及电堆排水方法，使系统更加简洁、轻便、高效、长寿命是至关重要的。本研究设计并制造了一款新型的kW级风冷燃料电池电堆，选择封闭阳极运行模式提升燃料利用率，气体扩散层及阳极流道的设计遵循重力辅助排水原理，然而，此电堆瞬时电压输出性能如何？热性能如何？封闭阳极条件下，采用前人所提出的气体扩散层及阳极流道设计原理是否可使电堆具有良好的排水效果？回答这些问题仍需开展相关实验验证。

【论文概述】

设计并制造了具有封闭阳极运行条件的kW级风冷质子交换膜燃料电池堆。利用重力辅助排水原理设计了气体扩散层的润湿性和阳极通道几何形状，使反扩散到阳极的液态水从阳极多孔电极中排出，并沿阳极通道出口向下移动进入排水流道。实验结果表明，该电堆可在268 s的吹扫间隔和2 s的吹扫时间内稳定运行。此外，采用该设计，仅使用4台小功率风扇串联排列即可达到较好的冷却效果。在30、45及60 A的恒定负载电流下，在不同的阴极进气量下对电堆瞬时性能进行实验测试，同时监测了电堆内部的局部温度(60个测量点)和阳极流道进出口之间的压差，以了解电堆的热动态响应特征和液态水的反向扩散规律。在当前的工作条件下，所设计的电堆具有优越稳定的电压输出特性和相对均匀的温度分布。实测最大输出功率为3.83 kW，风机功率仅为80~112 W。

图1. 负载电流为45 A时不同阴极进气量下电堆瞬时电压、瞬时电压稳定性及阳极压差分析

图2. 不同负载电流下（30 A、45 A及60 A）风冷燃料电池电堆出风口表面的温度分布

论文得到了国家自然科学基金重点项目（52090062）、国家自然科学基金（51976055）和湖南省科技创新项目（2020RC4040）以及湖南省重点研发计划（2021GK2017）的支持。