燃料電池氣、水、熱平衡分析及綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、ID國(guó)科技論乂任線http: /“vw paper edu cn燃料電池氣、水、熱平衡分析及綜合管理系統(tǒng)設(shè)計(jì)I陳壁峰I,錢彩霞詹志剛2,肖金生1. 武漢理工大學(xué)汽車工程學(xué)院，武漢（430070 ）2. 武漢理工大學(xué)材料復(fù)合新技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，武漢（430070 ）E-mail: qianc2ixu0301 163 com摘 要：建立了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的氣平衡、水平衡和熱平衡計(jì)算模型，總結(jié)了電堆 氣管理、水管理和熱管理相關(guān)物理量的計(jì)算方法；以60kW電堆為例進(jìn)行計(jì)算分析，認(rèn)為氣、 水、熱管理三者有著密切的聯(lián)系，應(yīng)建立綜合管理的概念；設(shè)計(jì)了氣、水、熱綜合管理系統(tǒng). 該系統(tǒng)充分回收利用了電堆

2、的尾氣、電化學(xué)反應(yīng)生成的水和電堆產(chǎn)生的熱量.關(guān)鍵詞：燃料電池；反應(yīng)氣；水管理；熱平衡；模型中圖分類號(hào)：TK911. 引言氣、水、熱管理是影響質(zhì)子交換膜燃料電池性能、成本、使用壽命的巫耍因素，近年來(lái) 人們対其進(jìn)行了人屆研究也取得了不少成5Uu'21o但關(guān)氣、水、熱平衡分析的文章卻不多 見(jiàn)，而且一般都是將氣、水和熱管理分開(kāi)3】或僅將水、熱管理結(jié)合而忽略氣管理來(lái)進(jìn)行 的。木文建立了氣、水、熱平衡計(jì)算模熨，通過(guò)計(jì)算與分析認(rèn)為應(yīng)建V1PEM燃料電池堆氣、 水、熱綜介管理并設(shè)計(jì)了綜介管理系統(tǒng)，設(shè)計(jì)的方案和所得結(jié)論對(duì)以后的相關(guān)研究貝冇參考 價(jià)值。2. 氣.水.熱平衡模型21氣平衡計(jì)算模型PEM燃料電

3、池以氫和氧為燃料，為滿足實(shí)際使用中對(duì)功率的要求，須冇一定速率的燃 料進(jìn)入電堆參與電化學(xué)反應(yīng)，由J：氣體在進(jìn)入電堆過(guò)程中會(huì)有損失，因此毎種氣體需設(shè)定相 應(yīng)的過(guò)帚系數(shù)，一般情況過(guò)最的氫氣進(jìn)行冋收，空氣隨尾氣排出電堆。氣平衡計(jì)算模型為：Qniair jn + QgHin + Q需,+ Qe.xh.air +】由燃料電池工作原理及法拉第第一定律可推得:Mh、P"IFFQ =性£So yQmJh實(shí)際進(jìn)氣速率為理論消耗速率乘以對(duì)應(yīng)的過(guò)丞系數(shù)，即:Mh, pO u . =:2.c(1)(2)(3)(4)1ID國(guó)科技論乂任線http: /“vw paper edu cn1ID國(guó)科技論乂任線

4、http: /“vw paper edu cn'本課題得到教育部高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金（批準(zhǔn)號(hào):20050497014）的資助.1ID國(guó)科技論乂任線http: /wvxv paper edu cn(5)Qe.vh.airQm.H、(6)(7)Qmyair.in尾氣和回收的氮7速率為實(shí)際進(jìn)氣速率與理論消耗速率Z基，即:ID國(guó)科技論乂任線http: /wvxv paper edu cnID國(guó)科技論乂任線http: /wvxv paper edu cn2.2水平衡計(jì)算模型(8)(9)燃料氣體在進(jìn)入電堆前耍加濕，同時(shí)電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物為水，即電堆內(nèi)部的水由氣體的加 濕水和電化學(xué)反W生成水組

5、成。如不進(jìn)行循環(huán)何收利用，電堆內(nèi)的水一部分以液態(tài)形式宜接 排出電堆，另一部分以氣態(tài)形式隨尾氣排出電堆。水平衡計(jì)算模型為：Qfn.HyOjiq + 0由熱力學(xué)知識(shí)可知'（體所需加濕水的質(zhì)最流最為:Qm.HyO,gasMg5P 如(T)00如(7q)0M,.® P 嘰Q) P.-WM式（1）-（9）中么如、Q,皿分別為空氣、氫氣的實(shí)際進(jìn)氣速率,Qg、 如電 化學(xué)反應(yīng)中氣氣、氫氣的消耗速率，2如”、分別為用氣中空氣排放速率和氫氣回 收速率，0”牛。"為加濕空氣或氫氣的水的質(zhì)駁流駅0”®.伽、Qws為以液態(tài)、氣 態(tài)形式排出電堆的水的質(zhì)最流杲，單位均為g/s。2.3

6、熱平衡計(jì)算模型由J熱力學(xué)效率和電化學(xué)效率的存在，燃料氣體的化學(xué)能在向?qū)嶋H電能轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn) 生反應(yīng)熱和極化熱。電堆產(chǎn)生熱屆為反W的化了能減厶實(shí)際輸出的電能，以功率形式衣示為：V2腫吟_1）（10）rcPEMFC電堆主要通過(guò)四種途徑排出廢熱：電池門身體輻射和與周用空氣對(duì)流換熱、電池內(nèi) 部水汽化散熱、尾氣帶走熱昴和冷卻水帶走熱杲，熱平衡模型為：2“ = Qsurf + Qexh + Qapor + Qg（ 11 由斯忒藩玻耳茲曼定律及牛頓冷卻公式得：&W =呵4（九 一 Q + 創(chuàng)（乙一 G（ 12）山熱力學(xué)及傳熱學(xué)理論可得：0昨,嚴(yán)10乜吆（13）cQ”, .H1O.iool，iw>

7、;l（14）燃料電池進(jìn)氣與出氣溫度相差不大，氣體的比熱容較小，電堆盡氣帶走的熱鼠忽略不計(jì)：(15)3. 氣.水.熱平衡分析實(shí)例3.1輸入?yún)?shù)與計(jì)算結(jié)果以菜60kW電堆為例進(jìn)行計(jì)算，氣、水、熱平衡計(jì)算參數(shù)如表1所示。表1輸入?yún)?shù) Tab 1 Inpin parameters總義數(shù)值符號(hào)意義數(shù)值c水的比熱4.186SkJmolfo、空氣中氧氣的體積分?jǐn)?shù)0.21F法拉第常數(shù)96485 c/molMh、黑氣的摩爾質(zhì)雖2.016g'molM汕空氣的摩爾質(zhì)厳29 g/mol水的摩爾質(zhì)量18 g/mol叫氧氣的摩爾質(zhì)雖32 g molN電堆單電池片數(shù)500P電堆額定輸出功率60 kWT. Tx加濕前

8、、后氫氣的溫度25£、65X?Psa,(60'C)60C水蒸氣的飽和H；力00199 MPa%（65。65*C水煎氣的飽和斥力0.02504NIPaf EC)75*C水蒸氣的飽和壓力00386 MPa血（25。25£水淒氣的飽和壓力0.00317MPa電堆的工作環(huán)境溫度298.15Kstack電堆工作時(shí)表面溫 度353.15Kg冷卻水進(jìn)出電堆溫左ioru電堆額定電壓350 VVc單電池實(shí)際輸出電壓0.7 V%弧電池理憑輸出電壓1481Va對(duì)流換熱系數(shù)5 kJ/m:Ky水的汽化潛熱2256 kJ/kg 氫氣、氧氣的過(guò)雖系數(shù)2、4p水的密度1000kg. m300、&#

9、174;加濕前后氧氣相對(duì)濕度0、100%化、e加濕詢、后空氣相對(duì)濕度20%、100%將上述參數(shù)代入式（2）（7）及式（9）（14）各計(jì)算模型，計(jì)算結(jié)果如農(nóng)2所示。表2計(jì)算結(jié)果Tab 2 Calculation results參數(shù)盤義數(shù)值參數(shù)意義數(shù)值爼氣的消耗速率08950sQmQ?氣氣的消耗速率7.160g/s。加Jji蠱氣的實(shí)際進(jìn)氣速半1.7900sO nt,airjn空氣的實(shí)際進(jìn)氣速半122.612g/s加濕氮?dú)馑鶕羲乃俾? 407 0sQrec,H、 粗氣的冋收速率0 895g/sQgH.O、aif加濕空氣所需水的速率33.074 g/sQgHy電化學(xué)反應(yīng)生成水的速率8.055g/sQ

10、s電堆的發(fā)熱功率66 943 kW電堆熱輻射及對(duì)流散熱功率0 808 kWQvapar水汽化散熱功率11.034 kWQcool冷卻水散熱功率55.101 kW3.2計(jì)算結(jié)果分析氣管理中,氫氣過(guò)量系數(shù)為2,即0.895g/s的氫氣參與電化學(xué)反應(yīng)會(huì)有等量的氣體以尾 氣形式排出，氫氣進(jìn)行回收，空氣較廉價(jià)不予考慮。水管理中，II前一般做法是從電堆外部提供水給氣體加濕。計(jì)算可知，電化學(xué)反應(yīng)生成 水的速率是&O55g/s,加濕氫氣所盂加濕水速率為1.407 g/s,可見(jiàn)電堆牛成水足以滿足氫氣 的加濕；加濕空氣所需加濕水的速率為33.074g/s,可利用電堆尾氣中的水在焙輪加濕器中 對(duì)空氣加濕圖。

11、熱管理中，冷卻水的散熱功率為55.101 kW, H前一般將從電堆出來(lái)的溫度較雋的冷卻 水經(jīng)冷凝器冷凝再參與下一輪循環(huán)，另外為了更好的參與電化學(xué)反皿，燃料氣體進(jìn)入電堆I逬 盂加溫以減小其與電堆的溫差，因此町以將電堆出來(lái)的冷卻水與氣體進(jìn)彳了熱交換，將冷卻水 的冷凝和氣體的加熱介二為一，充分利用能量，減少系統(tǒng)附屬設(shè)備。由此可見(jiàn)，PEM燃料電堆的氣、水、熱管理之間仃密切的聯(lián)系，應(yīng)建立氣、水、熱綜 合管理的概念將三者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行研究。33氣、水、熱綜合管理系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)以上分析可看出氣、水、熱可進(jìn)彳J：綜合管理，由上述分析設(shè)計(jì)的綜介管理系統(tǒng)如圖1 所小。氫'(和空(,循環(huán)路線分別為(1)>

12、;(2)t(3)>(4)>(5)和一>一一一一>(§)。 兩者都是先與電堆生成水進(jìn)彳j熱交換，達(dá)到升溫的口的，再通過(guò)加濕器加濕，最后進(jìn)入電堆 參與電化學(xué)反應(yīng)。過(guò)就氫氣H接循環(huán)回收利用，過(guò)處空氣經(jīng)過(guò)焙輪加濕器回收K中的熱屆和 水，多余空氣排入大氣。電化學(xué)反應(yīng)生成水路線為1->2最后進(jìn)入冷卻水箱。具冇一定溫度的生成水適介用J：膜 加濕器中加濕氫氣，多余的水進(jìn)入冷卻水箱參與冷卻水循環(huán)。冷卻水循環(huán)路線為I ->11 Till 和【tIItWJV。冷卻水進(jìn)入電堆前溫度較低，經(jīng)過(guò)電堆后帶走電堆產(chǎn)牛的人部分熱竜， 為將熱炭?jī)帐?，冷卻水出電堆后先經(jīng)換熱器對(duì)空氣和豈

13、氣分別加溫，再冋冷卻水箱參與卜一 輪循環(huán)。在該系統(tǒng)屮，尾氣、冷卻水以及牛成水帶出的熱磺都用J：加熱氣體，回收利用了系 統(tǒng)的廢熱。圖1 PEM電池電堆氣、水、熱綜介借理系統(tǒng)Figi Integrated Management System of PEM Fuel Cell Stack4.結(jié)論通過(guò)對(duì)輸出功率為60kW,氫氣、空氣過(guò)量系數(shù)分別為2和4的PEM燃料電池堆氣、 水、熱平衡計(jì)算可得如下結(jié)論：（1）電堆尾氣不僅具有熱量還含有大量水份,通過(guò)焙輪加濕器將其用于進(jìn)氣加濕,可 以回收尼氣中的熱鼠和水，提高燃料利用率。（2）電化學(xué)反應(yīng)生成水的速率為&O55g/s,而加濕氫氣所需水的質(zhì)吊流鼠為1

14、.790 g/s. 通過(guò)膜加濕器將主成水用J：加濕氫氣能達(dá)到較好的加濕效果，多余的水用冷卻電堆可充分 利用電化學(xué)反應(yīng)生成水。（3）冷卻水散熱功率為55.101kW,將冷卻水與進(jìn)氣進(jìn)行熱交換可降低燃料氣體與電堆 內(nèi)部的溫差，使其更好的參與電化學(xué)反應(yīng)，同時(shí)回收利用了廢熱。參考文獻(xiàn)1 Picot D. Metkemeijer R. Bezian JJ. Rouveyre L Impact of the water symmetry factor on hmmdification and cooling strategies for PEM fiiel cell stacks J Power Sour

15、ces 1998;75:251-60 Fronk IH Wetter DL, Masten DA. Bosco A PEM fuel cell system solutions for transportation SAE paper 2000-01-0373 in SP-1505; 2000. p. 101-8.3 秦敬玉徐鵬，丄利生，謝曉峰,毛宗強(qiáng)質(zhì)f交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)循環(huán)水管理模型.A陽(yáng)能學(xué)報(bào) 2001;22-4;385-389.4 Ahmed S, Kopasz J. Kumar R. Kunnpelt M Water balance in a polymer electrolyte

16、 fuel cell $ysiemJ. J Power Sources 2002;112:519-305 Biesheuvel PM. Kramer GJ. Shortcut model for water-balanced operation in fxiel processor fuel cell $y$temsJ. J Power Sources 2004,13&15I51.6 Yu X C. Zliou B Andrzej Sobiesiak. Water and thermal management for Ballard PEM fuel cell stackJ, Jour

17、nal of Power Sources, 2005,147:184-195.7 Cheng B, Ouyang M G、Yi B L Analysis of the water and themial management in proton exchange membrane fiiel cell systems J International Journal of Hydrogen Energy 2006. 31:1040-1057 許思傳，用欽4祓.燃料電池轎車用焙輪加濕器的設(shè)計(jì)J. V J : k K2006.3 18-21.Gas, water and heat balance a

18、nalysis and integratedmanagement system design for PEM fuel cellsChen Bifeng1, Qian Caixia12, Zhan Zhigang2, Xiao Jiiisheng121 School of Automotive Engineering, Wuhan University of Technology，Wuhan, PRC (430070)2 State Key Laboratory of Advanced Teclinology for Matenals Synthesis and Processing,Wuliaii University of Technology, Wuhan, PRC (430070)AbstractTlie pape