燃料电池气、水、热平衡分析及综合管理系统设计-

1、 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1,21.武汉理工大学汽车工程学院,武汉(4300702.武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室,武汉(430070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:TK911.引言

2、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12。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35或仅将水、热管理结合而忽略气管理67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

3、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:2222,H rec air exh H m O m in H m in air m Q Q Q Q Q Q +=+ (1由燃料电池工作原理及法拉第第一定律可推得:c H H m V PF M Q 222,= (2 cO O m V P F M Q 422,= (3 实际进气速率为理论消耗速率乘以对应的过量系数,即:2222,H cH in H m V PF M Q =(41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。 22411,O cO airin air m

4、V PF f M Q = (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:2,O m in air m air exh Q Q Q = (6 222,H m in H m H rec Q Q Q = (72.2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:exh O H m liq O H m O H m gas O H m Q Q Q Q ,2222+=+ (8由热力学知识可知气体所需加湿水的质

5、量流量为:in gas m sat sat sat sat gas O H gasO H m Q T p p T p T p p T p M M Q ,0000011111,(22= (9式(1(9中in air m Q ,、in H m Q ,2分别为空气、氢气的实际进气速率,2,O m Q 、 2,H m Q 电化学反应中氧气、氢气的消耗速率,air exh Q , 、2,H rec Q 分别为尾气中空气排放速率和氢气回收速率,gas O H m Q ,2为加湿空气或氢气的水的质量流量,liq O H m Q ,2、exh O H m Q ,2为以液态、气态形式排出电堆的水的质量流量,单位

6、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:1(=cequ gen V V p Q (10PEMFC 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:cool vapor exh surf gen Q Q Q Q Q += (11由斯忒藩-玻耳兹曼定律及牛顿冷却公式得:(0404T T A T T A Q cell cell b surf += (12由热力学及传热学

7、理论可得:O H m vapor Q Q 2,310= (13 cool cool O H m cool T cQ Q =,2 (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:0exh Q (153.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。表1 输入参数 Tab.1 Input parameters符 号意 义数 值符 号意 义数 值c水的比热 4.1868kJ/mol2O f空气中氧气的体积分数 0.21 F法拉第常数 96485 c/mol2H M 氢气的摩尔质量 2.016g/mo

8、l air M 空气的摩尔质量 29 g/molO H M 2水的摩尔质量 18 g/mol 2O M氧气的摩尔质量 32 g/mol N 电堆单电池片数 500 P 电堆额定输出功率 60 kW 0T 、1T 加湿前、后氢气的温度 25、65sat p (60 60水蒸气的饱和压力 0.0199 MPa sat p (65 65水蒸气的饱和压力 0.02504MPa sat p (75 75水蒸气的饱和压力 0.0386 MPa sat p (2525水蒸气的饱和压力 0.00317MPa ats T电堆的工作环境温度 298.15Ktack s T电堆工作时表面温度 353.15K coo

9、l T 冷却水进出电堆温差10 U电堆额定电压350 VVc单电池实际输出电压 0.7 Vequ V 单电池理想输出电压 1.481 V 对流换热系数 5 kJ/m 2K水的汽化潜热 2256 kJ/kg 2H、2O 氢气、氧气的过量系数 2、4 水的密度 1000kg/m 30、1加湿前后氢气相对湿度0、100%'、'1加湿前、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,计算结果如表2所示。表2 计算结果Tab.2 Calculation results参 数意 义数 值参 数意 义数 值2,H m Q 氢气的消耗速率 0.895g/s2

10、,O m Q氧气的消耗速率 7.160g/s inH m Q ,2 氢气的实际进气速率 1.790g/sin air m Q ,空气的实际进气速率 122.612g/s 22,H O H m Q 加湿氢气所需水的速率 1.407 g/s 2,H rec Q 氢气的回收速率 0.895g/s airO H m Q ,2加湿空气所需水的速率 33.074 g/so H m Q 2,电化学反应生成水的速率 8.055g/s genQ 电堆的发热功率 66.943 kWsurfQ电堆热辐射及对流散热功率 0.808 kWvaporQ水汽化散热功率 11.034 kWcool Q冷却水散热功率 55.1

11、01 kW 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。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

12、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。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。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

13、空气排入大气。电化学反应生成水路线为12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。冷却水循环路线为和。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。 图1 PEM 电池电堆气、水、热综合管理系统 Fig1 IntegratedManagement System of PEM Fuel Cell Stack 4.结论通过对输出功率为60kW,氢气、空气过

14、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,

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