燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计

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Qcool = cQ ∆T m,H 2O,cool cool
（14）
燃料电池进气与出气温度相差不大，气体的比热容较小，电堆尾气带走的热量忽略不计：
Qexh ≈ 0
（15）
3．气、水、热平衡分析实例
3.1 输入参数与计算结果
以某 60kW 电堆为例进行计算，气、水、热平衡计算参数如表 1 所示。
4.1868kJ/mol 96485 c/mol
29 g/mol
f O2 M H2 M H2O
32 g/mol N
60 kW 0.0199 MPa 0.0386 MPa
298.15K 10℃
T0 、 T1 psat (65℃) psat (25℃) Ts tack
U
0.7 V
Vequ
5 kJ/m2K γ
25℃、65℃ 0.02504MPa 0.00317MPa
353.15K 350 V 1.481 V 2256 kJ/kg 1000kg/m3 20%、100%
将上述参数代入式（2）~（7）及式（9）~（14）各计算模型，计算结果如表２所示。
表 2 计算结果
Tab.2 Calculation results
Qm,O2 Qm,air ,in Qrec , H 2 Qm, H 2o Qsurf
氧气的消耗速率
7.160g/s
空气的实际进气速率
122.612g/s
氢气的回收速率
0.895g/s
电化学反应生成水的速率 8.055g/s
电堆热辐射及对流散热功率 0.808 kW
Qvapor
水汽化散热功率
11.034 kW Qcool
由此可见，PEM 燃料电堆的气、水、热管理之间有密切的联系，应建立气、水、热综 合管理的概念将三者结合起来进行研究。
3.3 气、水、热综合管理系统的方案设计
以上分析可看出气、水、热可进行综合管理，由上述分析设计的综合管理系统如图 1 所示。氢气和空气循环路线分别为（1）→（2）→（3）→（4）→（5）和①→②→③→④→⑤→⑥。 两者都是先与电堆生成水进行热交换，达到升温的目的，再通过加湿器加湿，最后进入电堆 参与电化学反应。过量氢气直接循环回收利用，过量空气经过焓轮加湿器回收其中的热量和 水，多余空气排入大气。
Q + Q = Q + Q m,H2O,gas
m, H 2O
m,H 2O,liq
m,H 2O,exh
由热力学知识可知气体所需加湿水的质量流量为：
（8）
Qm , H 2O , gas
=
M H2O M gas
⎡ ⎢ ⎣
ϕ1 psat (T1) p1 − ϕ1 psat (T1)
−
ϕ0 psat (T0 ) p0 − ϕ0 psat (T0
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
（4）
1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。 -1-
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Qm,air ,in = M air
1 f O2
1 4F
P Vc
λO2
（5）
尾气和回收的氢气速率为实际进气速率与理论消耗速率之差，即：
Q = Q − Q exh,air
图 1 PEM 电池电堆气、水、热综合管理系统
Fig1 Integrated Management System of PEM Fuel Cell Stack
-4-
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4．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：
m, H 2 ,in
m,O2
m, H 2
exh , air
rec, H 2
由燃料电池工作原理及法拉第第一定律可推得：
（1）
Qm,H2
=
M H2 2F
P Vc
Qm,O2
=
M O2 4F
P Vc
实际进气速率为理论消耗速率乘以对应的过量系数，即：
（2） （3）
Qm,H2 ,in
=
M H2 2F
P Vc
λH2
表 1 输入参数 Tab.1 Input parameters
符号
意义
数值 符号
意义
数值
c
F
M air M O2 P psat (60℃) psat (75℃) Tats ∆Tcool
Vc
α λ λ H2 、 O2 ϕ0 、ϕ1
水的比热 法拉第常数 空气的摩尔质量 氧气的摩尔质量 电堆额定输出功率 60℃水蒸气的饱和压力 75℃水蒸气的饱和压力 电堆的工作环境温度 冷却水进出电堆温差 单电池实际输出电压 对流换热系数 氢气、氧气的过量系数 加湿前后氢气相对湿度
)
⎤ ⎥Qm, ⎦
gas
,in
（9）
式（1）~（9）中 Qm,air,in
Q 、 m,H 2 ,in
分别为空气、氢气的实际进气速率， Qm,O2
、
Qm,H2 电
化学反应中氧气、氢气的消耗速率， Qexh,air
Q 、 rec,H 2
分别为尾气中空气排放速率和氢气回
收速率，Qm,H2O,gas 为加湿空气或氢气的水的质量流量，Qm,H2O,liq Q 、 m,H2O,exh 为以液态、气
电化学反应生成水路线为 1→2 最后进入冷却水箱。具有一定温度的生成水适合用于膜 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→Ⅱ→Ⅲ 和Ⅰ→Ⅱ→Ⅳ→Ⅴ。冷却水进入电堆前温度较低，经过电堆后带走电堆产生的大部分热量， 为将热量回收，冷却水出电堆后先经换热器对空气和氢气分别加温，再回冷却水箱参与下一 轮循环。在该系统中，尾气、冷却水以及生成水带出的热量都用于加热气体，回收利用了系 统的废热。
热管理中，冷却水的散热功率为 55.101 kW，目前一般将从电堆出来的温度较高的冷却 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应，燃料气体进入电堆前 需加温以减小其与电堆的温差，因此可以将电堆出来的冷却水与气体进行热交换，将冷却水 的冷凝和气体的加热合二为一，充分利用能量，减少系统附属设备。
1．引言
气、水、热管理是影响质子交换膜燃料电池性能、成本、使用寿命的重要因素，近年来 人们对其进行了大量研究也取得了不少成果[1~2]。但关于气、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[3~5]或仅将水、热管理结合而忽略气管理[6~7]来进行 的。本文建立了气、水、热平衡计算模型，通过计算与分析认为应建立PEM燃料电池堆气、 水、热综合管理并设计了综合管理系统，设计的方案和所得结论对以后的相关研究具有参考 价值。
2．气、水、热平衡模型
2.1 气平衡计算模型
PEM 燃料电池以氢和氧为燃料，为满足实际使用中对功率的要求，须有一定速率的燃 料进入电堆参与电化学反应，由于气体在进入电堆过程中会有损失，因此每种气体需设定相 应的过量系数，一般情况过量的氢气进行回收，空气随尾气排出电堆。气平衡计算模型为：
Q + Q = Q + Q + Q + Q m,air,in
态形式排出电堆的水的质量流量，单位均为 g/s。
2.3 热平衡计算模型
由于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。电堆产生热量为反应的化学能减去实际输出的电能，以功率形式表示为：
Qgen
=
p(Vequ Vc
− 1)
（10）
PEMFC 电堆主要通过四种途径排出废热：电池自身热辐射和与周围空气对流换热、电池内 部水汽化散热、尾气带走热量和冷却水带走热量，热平衡模型为：
参数
意义
数值 参数
意义
数值
Qm, H 2 Qm,H 2 ,in Qm, H 2O, H 2 Qm,H 2O,air Q gen
氢气的消耗速率
0.895g/s
氢气的实际进气速率 1.790g/s
加湿氢气所需水的速率 1.407 g/s
加湿空气所需水的速率 33.074 g/s
电堆的发热功率
66.943 kW
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燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计1
陈壁峰 1，钱彩霞 1,2，詹志刚 2，肖金生 1,2
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：qiancaixia0301@163.com
冷却水散热功率
55.101 kW
-3-
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3.2 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，目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 8.055g/s，加湿氢气所需加湿水速率为 1.407 g/s，可见电堆生成水足以满足氢气 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焓轮加湿器中 对空气加湿[8]。
（1）电堆尾气不仅具有热量还含有大量水份，通过焓轮加湿器将其用于进气加湿，可 以回收尾气中的热量和水，提高燃料利用率。
（2）电化学反应生成水的速率为 8.055g/s，而加湿氢气所需水的质量流量为 1.790 g/s， 通过膜加湿器将生成水用于加湿氢气能达到较好的加湿效果，多余的水用于冷却电堆可充分 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 humidification and cooling strategies for PEM fuel cell stacks. J Power Sources 1998;75:251–60.
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：TK91
2、4
ρ
0、100%
ϕ' 、ϕ'
0
1
空气中氧气的体积分数 氢气的摩尔质量 水的摩尔质量 电堆单电池片数
加湿前、后氢气的温度 65℃水蒸气的饱和压力 25℃水蒸气的饱和压力
电堆工作时表面温度 电堆额定电压
单电池理想输出电压 水的汽化潜热 水的密度
加湿前、后空气相对湿度
0.21 2.016g/mol
18 g/mol 500
[2] Fronk MH, 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 鹏 , 王 利 生 , 谢 晓 峰 , 毛 宗 强 . 质 子 交 换 膜 燃 料 电 池 发 动 机 循 环 水 管 理 模 型 . 太 阳 能 学 报 2001;22-4;385-389.
Qgen = Qsurf + Qexh + Qvapor + Qcool
（11）
由斯忒藩-玻耳兹曼定律及牛顿冷却公式得：
Qsurf = εσb A(Tc4ell − T04 ) + αA(Tcell − T0 )
（12）
由热力学及传热学理论可得：
Qvapor = 10−3Qm,H γ2O
（13）
-2-
m,air ,in
m,O2
Q = Q − Q rec,H2
m,H2 ,in
m,H2
（6） （7）
2.2 水平衡计算模型
燃料气体在进入电堆前要加湿，同时电化学反应产物为水，即电堆内部的水由气体的加 湿水和电化学反应生成水组成。如不进行循环回收利用，电堆内的水一部分以液态形式直接 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：
[4] Ahmed S, Kopasz J, Kumar R, Kurmpelt M. Water balance in a polymer electrolyte fuel cell system[J]. J Power Sources 2002;112:519–30.