文档介绍：中国工程热物理学会传热传质学
学术会议论文编号:123061
质子交换膜燃料电池堆散热特性研究
万忠民1*基金项目:国家自然科学基金(Nos. 51036003, 51106046, 50906026 ), 湖南省自然科学基金(No. 11JJ4032)
沈俊2裴后昌2刘靖1 涂正凯3 刘志春2刘伟2
(1湖南理工学院物理系岳阳 414006;2华中科技大学能源与动力工程学院武汉 430074;3武汉理工大学材料复合新技术国家重点实验室武汉 430070)
(Tel: ********** Email: zhongminwan@)
摘要:本文通过理论分析质子交换膜燃料电池堆各种方式的散热量,得到燃料电池堆散热主要由冷却循环水交换出电池。同时组装46片电堆,搭建实验平台,根据实验数据,对这一结论进行了进一步验证。结果表明:稳态时空气流量对电堆换热量可以忽略不计,约97%的产热量由冷却水通过热交换移出电堆。
关键词:质子交换膜燃料电池;散热量;热交换;氢-空
0 引言
针对当前环境污染以及化石能源不断消耗的现状,高效、清洁的替代能源成为当今世界各国能源政策的主导方向[1]。质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种将贮存在氢燃料和氧化剂中的化学能直接转化为电能的发电装置,其主要产物为水,且发电效率在50%以上,因而,质子交换膜燃料电池已广泛示范运用于汽车发动机、移动电站以及潜艇动力系统等[2-4]。燃料电池在反应过程中约50%的能量将以热量的形式释放出来[5],电池的热管理已成为制约电池商业化发展的一个重要因数[1]。燃料电池的冷却方式有阴极空气冷却法、反应空气与冷却空气分离法和水冷却法三种[6]。其中,前两种冷却方式分别使用小于100W和100W~1KW的电池系统[7,8]。空气冷却虽然构造简单,但不能保证每片电池的温度的均匀性。实际应用中,电堆多采用水冷散热方式[9-11]。因其较空冷电堆有更小体积,结构更紧凑,且由于水的比容较大,其换热效果更加明显。
本文通过研究水冷质子交换膜燃料电池堆各种散热方式对总散热量的影响,在此基础上搭建实验平台,实验研究不同的进气参数以及冷却水流量对电堆换热特性的影响。
1 理论分析
燃料电池在反应过程中放出的热量主要由冷却水循环水的热交换、反应气体的对流换热作用移出电堆。
电堆的发热量
对于具有n节电池的电堆来说,在电流为I(A)时产生的热量可表示为[6]:
(1)
其中, (V)为电堆的平均电压。
电堆进口流体参数
若电堆进气温度为(℃),加湿度为,过量系数为,入口压力为(Pa),则入口空气的质量流量为[12]:
(2)
其中,F(C·mol-1)为法拉第常数,( kg·mol-1)为空气的摩尔质量。
入口加湿水的质量流量为:
(3)
其中,定义为进口加湿参数,( kg·mol-1)为水的摩尔质量,(Pa)为水蒸气的进气分压。
电堆出口流体参数
电堆出口氧气的质量流量可表示为:
(4)
电堆出口氮气的质量流量可表示为:
(5)
其中,( kg·mol-1)与( kg·mol-1)分别为氧气和氮气的摩尔质量。
电堆出口处的水主要来自两部分:一部分为加湿水;另一部分为反应生成的水(不考虑入口空气的水含量以及膜中水的扩散作用