PEM燃料電池冷卻和空氣供應(yīng)

朱萬超

摘 要 本文主要討論三種冷卻燃料電池的方法：使用陰極氣源冷卻、分離反應(yīng)物和冷卻空氣以及PEM燃料電池的水冷。通常情況下，一個燃料電池堆的發(fā)電效率約為50%，這就表明大約有一半的能量將會被浪費，這浪費掉的能量會產(chǎn)生大量的熱能，必須及時處理，這有益于對質(zhì)子交換膜的保護，也是燃料電池冷卻和空氣供應(yīng)的意義所在。

關(guān)鍵詞 燃料電池 冷卻 空氣供應(yīng)

中圖分類號：TM911.4 文獻標(biāo)識碼：A

1使用陰極氣源冷卻

PEM燃料電池有一定的轉(zhuǎn)化效率。在將氫能轉(zhuǎn)化為電能時，效率通常約為50%。這意味著功率為X瓦特的燃料電池也必須處理大約X瓦特的熱量。更確切地說，如果產(chǎn)物水在電池內(nèi)蒸發(fā)，燃料電池產(chǎn)生的熱量

這種熱量消除的方式很大程度上取決于燃料電池的大小。用燃料低于100W的電池可以使用純對流空氣來冷卻電池，并提供足夠的空氣流來蒸發(fā)水，而無需借助任何輔助裝置。潮濕的空氣比干燥的空氣密度小，有助于流通過程。但是，對于更緊湊的燃料電池，小風(fēng)扇可以用來吹動反應(yīng)物和冷卻空氣，盡管大部分熱量仍然會通過自然對流和輻射流失。

但是，當(dāng)燃料電池的功率升高時，熱量的比例就會降低，通過來自電池外表面的對流和輻射而損失。在實踐中，這是冷卻燃料電池的所有方法中最簡單的方法，只能用于功率高達100W左右的系統(tǒng)。

2分離反應(yīng)物和冷卻空氣

除了最小的PEM燃料電池以外，對反應(yīng)物空氣和冷卻空氣進行分離的需求可以通過反應(yīng)氣體和冷卻氣體組合的具體實例進行說明。

假設(shè)功率Pe Watts的燃料電池工作在50℃。電池組中每個電池的平均電壓為0.6V，這是一個大家普遍認可的數(shù)據(jù)。讓我們假設(shè)冷卻空氣在20攝氏度時進入電池，并在50攝氏度時離開（實際上，溫度變化可能不會太大，但讓我們以目前的最佳情況為例）。讓我們假設(shè)只有40%的燃料電池產(chǎn)生的熱量被空氣清除-其余部分從外表面輻射或自然對流。

燃料電池產(chǎn)生的熱量（如果水以蒸汽形式離開）

只有40%的熱量被空氣去除，比熱容以的速率流動，并受到溫度變化 的影響。所以我們可以這么說

代入已知的值，即，，并重新排列，我們得到冷卻空氣流量的下列公式：

如果反應(yīng)物空氣和冷卻空氣是同一個，那么這兩個量是相等的，所以這兩個方程可以等同。取消，代入，并求解 我們得到

如果本節(jié)開頭所做的假設(shè)更加真實，那就是更多的熱量不得不被空氣吸收，溫度變化也會減少，那么情況會變得更糟。為了阻止電池干燥，減少 （在50℃時應(yīng)該在3到6之間）的唯一方法是減少流過電極的空氣并設(shè)置獨立的冷卻系統(tǒng)。這一點出現(xiàn)在25%以上的熱量必須通過冷卻液清除。實際上，這似乎在大約100W的區(qū)域內(nèi)。比這更大的燃料電池通常需要單獨的反應(yīng)物空氣供應(yīng)和冷卻系統(tǒng)。

冷卻電池的通常方式是從100到1000瓦左右，在雙極板上制造額外的通道，通過這些通道可以吹送冷卻空氣?；蛘呖梢蕴砑訂为毜睦鋮s板，空氣通過該冷卻板被吹入。

3 PEM燃料電池的水冷

從空冷變?yōu)樗涞臅r機問題與其他發(fā)動機如內(nèi)燃機的情況相同。從本質(zhì)上講，空氣冷卻更簡單，但確保整個燃料電池隨著溫度變得越來越大而變得相似的溫度會越來越難。使用燃料電池時，對水冷的需求可能比汽油發(fā)動機更大，因為性能受溫度變化的影響更大。另一方面，汽油發(fā)動機的水冷卻也有助于隔音，這就是為什么當(dāng)空氣冷卻可能足夠時它有時用在摩托車上的原因?？偟膩碚f，我們預(yù)計從水冷到空冷的“轉(zhuǎn)換”將達到幾乎相同的功率水平，即幾千瓦。5千瓦以上的PEM燃料電池將采用水冷，而2千瓦以下的燃料電池則采用空氣冷卻，其間的電池決策是一個判斷問題。

其中一個因素肯定會影響到是否采取降溫的決定，這個問題就是'將要用熱來做什么'的問題。 如果它只是排放到在大氣中，那么偏向于空氣冷卻。 另一方面，如果要回收熱量，例如在一個小型的家用熱電聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)中，那么水冷變得更有吸引力。如果能量保持在高溫狀態(tài)，水冷要比空冷保持“熱量”要容易得多。

4結(jié)論

合理有效的冷卻和空氣供應(yīng)是保證質(zhì)子交換膜燃料電池效率和性能維持在比較高的水平的關(guān)鍵，尤其針對車用燃料電池，因其工作溫度遠低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機的工作溫度，冷卻系統(tǒng)需要更大的熱容量，從而使產(chǎn)生的多余熱能更快的被處理，水熱管理直接影響到電池的性能。熱管理的目的不僅僅是指將電堆中的熱量帶出，更重要的是保證電堆內(nèi)溫度分布的一致性，減小電堆內(nèi)的溫度梯度和避免在局部有熱點的產(chǎn)生。

參考文獻

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