1、ID國科技論乂任線http: /“vw paper edu cn燃料電池氣、水、熱平衡分析及綜合管理系統設計I陳壁峰I,錢彩霞詹志剛2,肖金生1. 武漢理工大學汽車工程學院，武漢（430070 ）2. 武漢理工大學材料復合新技術國家重點實驗室，武漢（430070 ）E-mail: qianc2ixu0301 163 com摘 要：建立了質子交換膜燃料電池系統的氣平衡、水平衡和熱平衡計算模型，總結了電堆 氣管理、水管理和熱管理相關物理量的計算方法；以60kW電堆為例進行計算分析，認為氣、 水、熱管理三者有著密切的聯系，應建立綜合管理的概念；設計了氣、水、熱綜合管理系統. 該系統充分回收利用了電堆

2、的尾氣、電化學反應生成的水和電堆產生的熱量.關鍵詞：燃料電池；反應氣；水管理；熱平衡；模型中圖分類號：TK911. 引言氣、水、熱管理是影響質子交換膜燃料電池性能、成本、使用壽命的巫耍因素，近年來 人們対其進行了人屆研究也取得了不少成5Uu'21o但關氣、水、熱平衡分析的文章卻不多 見，而且一般都是將氣、水和熱管理分開3】或僅將水、熱管理結合而忽略氣管理來進行 的。木文建立了氣、水、熱平衡計算模熨，通過計算與分析認為應建V1PEM燃料電池堆氣、 水、熱綜介管理并設計了綜介管理系統，設計的方案和所得結論對以后的相關研究貝冇參考 價值。2. 氣.水.熱平衡模型21氣平衡計算模型PEM燃料電

3、池以氫和氧為燃料，為滿足實際使用中對功率的要求，須冇一定速率的燃 料進入電堆參與電化學反應，由J：氣體在進入電堆過程中會有損失，因此毎種氣體需設定相 應的過帚系數，一般情況過最的氫氣進行冋收，空氣隨尾氣排出電堆。氣平衡計算模型為：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實際進氣速率為理論消耗速率乘以對應的過丞系數，即:Mh, pO u . =:2.c(1)(2)(3)(4)1ID國科技論乂任線http: /“vw paper edu cn1ID國科技論乂任線

4、http: /“vw paper edu cn'本課題得到教育部高等學校博士學科點專項科研基金（批準號:20050497014）的資助.1ID國科技論乂任線http: /wvxv paper edu cn(5)Qe.vh.airQm.H、(6)(7)Qmyair.in尾氣和回收的氮7速率為實際進氣速率與理論消耗速率Z基，即:ID國科技論乂任線http: /wvxv paper edu cnID國科技論乂任線http: /wvxv paper edu cn2.2水平衡計算模型(8)(9)燃料氣體在進入電堆前耍加濕，同時電化學反應產物為水，即電堆內部的水由氣體的加 濕水和電化學反W生成水組

5、成。如不進行循環何收利用，電堆內的水一部分以液態形式宜接 排出電堆，另一部分以氣態形式隨尾氣排出電堆。水平衡計算模型為：Qfn.HyOjiq + 0由熱力學知識可知'（體所需加濕水的質最流最為: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、氫氣的實際進氣速率,Qg、 如電 化學反應中氣氣、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駁流駅0”®.伽、Qws為以液態、氣 態形式排出電堆的水的質最流杲，單位均為g/s。2.3

6、熱平衡計算模型由J熱力學效率和電化學效率的存在，燃料氣體的化學能在向實際電能轉化過程中會產 生反應熱和極化熱。電堆產生熱屆為反W的化了能減厶實際輸出的電能，以功率形式衣示為：V2腫吟_1）（10）rcPEMFC電堆主要通過四種途徑排出廢熱：電池門身體輻射和與周用空氣對流換熱、電池內 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（乙一 G（ 12）山熱力學及傳熱學理論可得：0昨,嚴10乜吆（13）cQ”, .H1O.iool，iw>

7、;l（14）燃料電池進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：(15)3. 氣.水.熱平衡分析實例3.1輸入參數與計算結果以菜60kW電堆為例進行計算，氣、水、熱平衡計算參數如表1所示。表1輸入參數 Tab 1 Inpin parameters總義數值符號意義數值c水的比熱4.186SkJmolfo、空氣中氧氣的體積分數0.21F法拉第常數96485 c/molMh、黑氣的摩爾質雖2.016g'molM汕空氣的摩爾質厳29 g/mol水的摩爾質量18 g/mol叫氧氣的摩爾質雖32 g molN電堆單電池片數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電堆的工作環境溫度298.15Kstack電堆工作時表面溫 度353.15Kg冷卻水進出電堆溫左ioru電堆額定電壓350 VVc單電池實際輸出電壓0.7 V%弧電池理憑輸出電壓1481Va對流換熱系數5 kJ/m:Ky水的汽化潛熱2256 kJ/kg 氫氣、氧氣的過雖系數2、4p水的密度1000kg. m300、&#

9、174;加濕前后氧氣相對濕度0、100%化、e加濕詢、后空氣相對濕度20%、100%將上述參數代入式（2）（7）及式（9）（14）各計算模型，計算結果如農2所示。表2計算結果Tab 2 Calculation results參數盤義數值參數意義數值爼氣的消耗速率08950sQmQ?氣氣的消耗速率7.160g/s。加Jji蠱氣的實際進氣速半1.7900sO nt,airjn空氣的實際進氣速半122.612g/s加濕氮氣所擊水的速率1 407 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電化學反應生成水的速率8.055g/sQ

10、s電堆的發熱功率66 943 kW電堆熱輻射及對流散熱功率0 808 kWQvapar水汽化散熱功率11.034 kWQcool冷卻水散熱功率55.101 kW3.2計算結果分析氣管理中,氫氣過量系數為2,即0.895g/s的氫氣參與電化學反應會有等量的氣體以尾 氣形式排出，氫氣進行回收，空氣較廉價不予考慮。水管理中，II前一般做法是從電堆外部提供水給氣體加濕。計算可知，電化學反應生成 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的溫度較雋的冷卻 水經冷凝器冷凝再參與下一輪循環，另外為了更好的參與電化學反皿，燃料氣體進入電堆I逬 盂加溫以減小其與電堆的溫差，因此町以將電堆出來的冷卻水與氣體進彳了熱交換，將冷卻水 的冷凝和氣體的加熱介二為一，充分利用能量，減少系統附屬設備。由此可見，PEM燃料電堆的氣、水、熱管理之間仃密切的聯系，應建立氣、水、熱綜 合管理的概念將三者結合起來進行研究。33氣、水、熱綜合管理系統的方案設計以上分析可看出氣、水、熱可進彳J：綜合管理，由上述分析設計的綜介管理系統如圖1 所小。氫'(和空(,循環路線分別為(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彳j熱交換，達到升溫的口的，再通過加濕器加濕，最后進入電堆 參與電化學反應。過就氫氣H接循環回收利用，過處空氣經過焙輪加濕器回收K中的熱屆和 水，多余空氣排入大氣。電化學反應生成水路線為1->2最后進入冷卻水箱。具冇一定溫度的生成水適介用J：膜 加濕器中加濕氫氣，多余的水進入冷卻水箱參與冷卻水循環。冷卻水循環路線為I ->11 Till 和【tIItWJV。冷卻水進入電堆前溫度較低，經過電堆后帶走電堆產牛的人部分熱竜， 為將熱炭冋收，冷卻水出電堆后先經換熱器對空氣和豈

13、氣分別加溫，再冋冷卻水箱參與卜一 輪循環。在該系統屮，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 統的廢熱。圖1 PEM電池電堆氣、水、熱綜介借理系統Figi Integrated Management System of PEM Fuel Cell Stack4.結論通過對輸出功率為60kW,氫氣、空氣過量系數分別為2和4的PEM燃料電池堆氣、 水、熱平衡計算可得如下結論：（1）電堆尾氣不僅具有熱量還含有大量水份,通過焙輪加濕器將其用于進氣加濕,可 以回收尼氣中的熱鼠和水，提高燃料利用率。（2）電化學反應生成水的速率為&O55g/s,而加濕氫氣所需水的質吊流鼠為1

14、.790 g/s. 通過膜加濕器將主成水用J：加濕氫氣能達到較好的加濕效果，多余的水用冷卻電堆可充分 利用電化學反應生成水。（3）冷卻水散熱功率為55.101kW,將冷卻水與進氣進行熱交換可降低燃料氣體與電堆 內部的溫差，使其更好的參與電化學反應，同時回收利用了廢熱。參考文獻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,毛宗強質f交換膜燃料電池發動機循環水管理模型.A陽能學報 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計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