燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计

1、ID国科技论乂任线http: /“vw paper edu cn燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计I陈壁峰I,钱彩霞詹志刚2,肖金生1. 武汉理工大学汽车工程学院，武汉（430070 ）2. 武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室，武汉（430070 ）E-mail: qianc2ixu0301 163 com摘 要：建立了质子交换膜燃料电池系统的气平衡、水平衡和热平衡计算模型，总结了电堆 气管理、水管理和热管理相关物理量的计算方法；以60kW电堆为例进行计算分析，认为气、 水、热管理三者有着密切的联系，应建立综合管理的概念；设计了气、水、热综合管理系统. 该系统充分回收利用了电堆

2、的尾气、电化学反应生成的水和电堆产生的热量.关键词：燃料电池；反应气；水管理；热平衡；模型中图分类号：TK911. 引言气、水、热管理是影响质子交换膜燃料电池性能、成本、使用寿命的巫耍因素，近年來 人们対其进行了人届研究也取得了不少成5Uu'21o但关气、水、热平衡分析的文章却不多 见，而且一般都是将气、水和热管理分开3】或仅将水、热管理结合而忽略气管理來进行 的。木文建立了气、水、热平衡计算模熨，通过计算与分析认为应建V1PEM燃料电池堆气、 水、热综介管理并设计了综介管理系统，设计的方案和所得结论对以后的相关研究貝冇参考 价值。2. 气.水.热平衡模型21气平衡计算模型PEM燃料电

3、池以氢和氧为燃料，为满足实际使用中对功率的要求，须冇一定速率的燃 料进入电堆参与电化学反应，由J：气体在进入电堆过程中会有损失，因此毎种气体需设定相 应的过帚系数，一般情况过最的氢气进行冋收，空气随尾气排出电堆。气平衡计算模型为：Qniair jn + QgHin + Q需,+ Qe.xh.air +】由燃料电池工作原理及法拉第第一定律可推得:Mh、P"IFFQ =性£So yQmJh实际进气速率为理论消耗速率乘以对应的过丞系数，即:Mh, pO u . =:2.c(1)(2)(3)(4)1ID国科技论乂任线http: /“vw paper edu cn1ID国科技论乂任线

4、http: /“vw paper edu cn'本课题得到教育部高等学校博士学科点专项科研基金（批准号:20050497014）的资助.1ID国科技论乂任线http: /wvxv paper edu cn(5)Qe.vh.airQm.H、(6)(7)Qmyair.in尾气和回收的氮7速率为实际进气速率与理论消耗速率Z基，即:ID国科技论乂任线http: /wvxv paper edu cnID国科技论乂任线http: /wvxv paper edu cn2.2水平衡计算模型(8)(9)燃料气体在进入电堆前耍加湿，同时电化学反应产物为水，即电堆内部的水由气体的加 湿水和电化学反W生成水组

5、成。如不进行循环何收利用，电堆内的水一部分以液态形式宜接 排出电堆，另一部分以气态形式随尾气排出电堆。水平衡计算模型为：Qfn.HyOjiq + 0由热力学知识可知'（体所需加湿水的质最流最为:Qm.HyO,gasMg5P 如(T)00如(7q)0M,.® P 叽Q) P.-WM式（1）-（9）中么如、Q,皿分别为空气、氢气的实际进气速率,Qg、 如电 化学反应中氣气、氢气的消耗速率，2如”、分别为用气中空气排放速率和氢气回 收速率，0”牛。"为加湿空气或氢气的水的质駁流駅0”®.伽、Qws为以液态、气 态形式排出电堆的水的质最流杲，单位均为g/s。2.3

6、热平衡计算模型由J热力学效率和电化学效率的存在，燃料气体的化学能在向实际电能转化过程中会产 生反应热和极化热。电堆产生热届为反W的化了能减厶实际输出的电能，以功率形式衣示为：V2肿吟_1）（10）rcPEMFC电堆主要通过四种途径排出废热：电池门身体辐射和与周用空气对流换热、电池内 部水汽化散热、尾气带走热昴和冷却水带走热杲，热平衡模型为：2“ = Qsurf + Qexh + Qapor + Qg（ 11 由斯忒藩玻耳兹曼定律及牛顿冷却公式得：&W =呵4（九 一 Q + 创（乙一 G（ 12）山热力学及传热学理论可得：0昨,严10乜吆（13）cQ”, .H1O.iool，iw>

7、;l（14）燃料电池进气与出气温度相差不大，气体的比热容较小，电堆尽气带走的热鼠忽略不计：(15)3. 气.水.热平衡分析实例3.1输入参数与计算结果以菜60kW电堆为例进行计算，气、水、热平衡计算参数如表1所示。表1输入参数 Tab 1 Inpin parameters总义数值符号意义数值c水的比热4.186SkJmolfo、空气中氧气的体积分数0.21F法拉第常数96485 c/molMh、黑气的摩尔质虽2.016g'molM汕空气的摩尔质厳29 g/mol水的摩尔质量18 g/mol叫氧气的摩尔质虽32 g molN电堆单电池片数500P电堆额定输出功率60 kWT. Tx加湿前

8、、后氢气的温度25£、65X?Psa,(60'C)60C水蒸气的饱和H；力00199 MPa%（65。65*C水煎气的饱和斥力0.02504NIPaf EC)75*C水蒸气的饱和压力00386 MPa血（25。25£水淒气的饱和压力0.00317MPa电堆的工作环境温度298.15Kstack电堆工作时表面温 度353.15Kg冷却水进出电堆温左ioru电堆额定电压350 VVc单电池实际输出电压0.7 V%弧电池理憑输出电压1481Va对流换热系数5 kJ/m:Ky水的汽化潜热2256 kJ/kg 氢气、氧气的过虽系数2、4p水的密度1000kg. m300、&#

9、174;加湿前后氧气相对湿度0、100%化、e加湿询、后空气相对湿度20%、100%将上述参数代入式（2）（7）及式（9）（14）各计算模型，计算结果如农2所示。表2计算结果Tab 2 Calculation results参数盘义数值参数意义数值爼气的消耗速率08950sQmQ?氣气的消耗速率7.160g/s。加Jji蛊气的实际进气速半1.7900sO nt,airjn空气的实际进气速半122.612g/s加湿氮气所击水的速率1 407 0sQrec,H、 粗气的冋收速率0 895g/sQgH.O、aif加湿空气所需水的速率33.074 g/sQgHy电化学反应生成水的速率8.055g/sQ

10、s电堆的发热功率66 943 kW电堆热辐射及对流散热功率0 808 kWQvapar水汽化散热功率11.034 kWQcool冷却水散热功率55.101 kW3.2计算结果分析气管理中,氢气过量系数为2,即0.895g/s的氢气参与电化学反应会有等量的气体以尾 气形式排出，氢气进行回收，空气较廉价不予考虑。水管理中，II前一般做法是从电堆外部提供水给气体加湿。计算可知，电化学反应生成 水的速率是&O55g/s,加湿氢气所盂加湿水速率为1.407 g/s,可见电堆牛成水足以满足氢气 的加湿；加湿空气所需加湿水的速率为33.074g/s,可利用电堆尾气中的水在焙轮加湿器中 对空气加湿圖。

11、热管理中，冷却水的散热功率为55.101 kW, H前一般将从电堆出來的温度较雋的冷却 水经冷凝器冷凝再参与下一轮循环，另外为了更好的参与电化学反皿，燃料气体进入电堆I逬 盂加温以减小其与电堆的温差，因此町以将电堆出來的冷却水与气体进彳了热交换，将冷却水 的冷凝和气体的加热介二为一，充分利用能量，减少系统附属设备。由此可见，PEM燃料电堆的气、水、热管理之间仃密切的联系，应建立气、水、热综 合管理的概念将三者结合起來进行研究。33气、水、热综合管理系统的方案设计以上分析可看出气、水、热可进彳J：综合管理，由上述分析设计的综介管理系统如图1 所小。氢'(和空(,循环路线分别为(1)>

12、;(2)t(3)>(4)>(5)和一>一一一一>(§)。 两者都是先与电堆生成水进彳j热交换，达到升温的口的，再通过加湿器加湿，最后进入电堆 参与电化学反应。过就氢气H接循环回收利用，过处空气经过焙轮加湿器回收K中的热届和 水，多余空气排入大气。电化学反应生成水路线为1->2最后进入冷却水箱。具冇一定温度的生成水适介用J：膜 加湿器中加湿氢气，多余的水进入冷却水箱参与冷却水循环。冷却水循环路线为I ->11 Till 和【tIItWJV。冷却水进入电堆前温度较低，经过电堆后带走电堆产牛的人部分热竜， 为将热炭冋收，冷却水出电堆后先经换热器对空气和岂

13、气分别加温，再冋冷却水箱参与卜一 轮循环。在该系统屮，尾气、冷却水以及牛成水带出的热磺都用J：加热气体，回收利用了系 统的废热。图1 PEM电池电堆气、水、热综介借理系统Figi Integrated Management System of PEM Fuel Cell Stack4.结论通过对输出功率为60kW,氢气、空气过量系数分别为2和4的PEM燃料电池堆气、 水、热平衡计算可得如下结论：（1）电堆尾气不仅具有热量还含有大量水份,通过焙轮加湿器将其用于进气加湿,可 以回收尼气中的热鼠和水，提高燃料利用率。（2）电化学反应生成水的速率为&O55g/s,而加湿氢气所需水的质吊流鼠为1

14、.790 g/s. 通过膜加湿器将主成水用J：加湿氢气能达到较好的加湿效果，多余的水用冷却电堆可充分 利用电化学反应生成水。（3）冷却水散热功率为55.101kW,将冷却水与进气进行热交换可降低燃料气体与电堆 内部的温差，使其更好的参与电化学反应，同时回收利用了废热。参考文献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

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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