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叉车动力系统中低温质子交换膜燃料电池的热、水管理

摘要：本文建立了一种通用的零维质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型叉车应用程序。平衡装置(BOP)由压缩机、空气加湿器热交换器和循环泵。燃料电池堆和防喷器的水和热管理在本研究中进行了调查。结果表明，进气加湿具有重要意义。将进气相对湿度由95%降低到25%，电压可降低29%。在此外，当膜完全饱和时，栈温升高会导致平均电池电压升高水合，否则它会导致堆栈中的电压急剧下降。此外，通过取代液态水当水-乙二醇混合物为50%时，冷却剂的质量流量增加约32-33%内环和60-65%的外环适用于所有电流范围。然后系统可以在大约25摄氏度，效率几乎没有变化。

1. 介绍

质子交换膜燃料电池(PEMFCs)由于其运行条件低、功率密度高、启动速度快等优点，被认为是汽车行业最有发展前景的燃料电池之一，但目前PEM燃料电池商业化还存在成本和寿命等障碍。本文从不同的角度研究了PEM燃料电池的性能。行业内已经有了关于单细胞催化剂改进、寿命和降解、膜技术、流动通道、栈模型等方面的详细研究，仅对栈的参数化研究进行分析。其他研究人员在没有研究不同类型冷却介质的情况下，研究了与植物平衡(BOP)集成的燃料电池的性能。燃料电池的工作温度通常是在60-80摄氏度范围内。从动力学角度看，堆内温度过高会引起膜或催化剂的降解，而堆内温度过低则不利于降解，在较低温度下，由于水饱和压力较低，这也可能导致注水，这是堆水管理的一个主要问题。影响堆内水管理的重要参数包括:气体流量、气体压力、堆内工作温度、气体相对湿度、气体流动通道和气体扩散层(GDL)。为了理解PEM燃料电池中的水输运，人们做了很多努力，但也有一些研究考虑了实际系统中的水输运效应，包括PEMFC和BOP。

热管理的主要目的是使堆的工作温度保持在期望的范围内。设计PEM燃料电池冷却系统有两个关键因素: 第一，堆栈的工作温度被限制在80℃，这意味着与传统内燃机的冷却系统相比，周围空气和废气的温差过低。第二，反应物和生成物的排热量几乎可以忽略不计，整个废热必须通过冷却系统排出。这两个因素导致需要一个相对较大的散热器在汽车质子交换膜燃料电池系统，以目前的技术来说，这是一个非常具有挑战性的问题。提高燃料电池的工作温度可能是提高当前冷却技术效率的一种方法。此外，高温燃料电池对CO污染的耐受性更强，除了纯氢之外，高温燃料电池也有可能使用其他燃料，尽管本文不讨论高温质子交换膜燃料电池。堆中产生的热量可通过传导、对流、辐射或相变消散。如果冷却系统不能正常散热，最终会导致堆栈温度升高，导致膜的相对湿度降低，降低膜的离子电导率。因此，除了堆栈的热管理外，还应考虑水的管理。冷却方法在很大程度上取决于燃料电池的尺寸。堆栈热管理的典型方法如下所示：

1. 用散热片冷却

2. 采用阴极气流冷却

3. 采用单独的气流冷却

4. 液体冷却

5. 相变冷却

液体冷却剂比气体冷却剂具有更高的热容量，这使得它们在冷却应用中更有效，特别是在功率大于5千瓦的质子交换膜燃料电池中。最典型的液体冷却剂是去离子水和水-乙二醇混合物。然而，由于水氨混合物具有较高的热容，似乎是一种有趣的冷却剂选择，但在目前的运行条件下，它是饱和的。由于液体冷却剂在汽车工业中的广泛应用，人们通过寻找替代冷却剂或优化冷却通道的设计和几何形状来优化冷却系统。

本文首先提出了一种适用于10千瓦叉车的通用零维质子交换膜燃料电池(PEMFC)模型，并利用现有的栈数据进行了验证。然后将堆栈模型应用于一个完整的叉车系统中，该系统具有所有必要的辅助部件。为了更好地了解系统在寒冷气候条件下的性能和适用性，本文对系统的水管理和热管理进行了研究和探讨。不同的冷却介质，如水，水乙烯乙二醇混合物和R134A具有两个温度等级，分别为30摄氏度和45摄氏度，并对系统性能产生了一定的影响，在文献中未见报道。

图1质子交换膜燃料电池系统原理图

2. 系统整体设计

图1为本研究分析的PEMFC系统原理图。该系统包括一个PEM堆作为唯一的电力来源，以及所有支持燃料电池运行的必要辅助组件。这些辅助部件称为平衡装置(BOPs)，包括压缩机、泵、空气加湿器和一组热交换器。标称功率为20.4千瓦的燃料电池堆包含电池面积等于285.8平方厘米的110个电池。叠层的工作温度为60到70摄氏度，而压力范围为1.2到2.2巴。在阴极侧，在压力小于2巴、温度在60摄氏度左右的情况下，空气进入堆栈阴极侧前经过压缩、预冷和加湿。在阳极侧使用的燃料是纯氢，假设氢气被加压并储存在容器中。使用连接在容器后面的阀门来调节氢气的量。压力小于2.2巴，温度在48摄氏度左右的氢气进入阳极一侧。由于所有的燃料不能在堆内反应，那么剩余的燃料将被收集起来，并通过循环泵送回阳极流。

为防止膜内脱水，必须对空气和燃料加湿。在空气侧设有加湿器，利用阴极出口的部分水蒸气对进气口进行加湿。在计算中，堆栈前空气的相对湿度设置为95%;虽然可以选择其他值。在燃料侧没有加湿器，燃料通过膜从阴极到阳极的水交叉作用达到所需的湿度。根据堆功率输出，阳极进口湿度在78%到100%之间。本文稍后将重新讨论这方面。

在热管理中，使用了两个独立的冷却回路，分别表示为内回路和外回路。内环用于堆叠冷却，冷却剂使堆温保持在70摄氏度左右。通过内回路冷却剂排出的堆内热量，在25至60摄氏度左右的不同工作温度下，传递到外回路冷却剂，通过风机排出外回路余热。冷却系统的另一种可能的选择是使用一个冷却电路而不是两个。其中一个热交换器可以被淘汰，冷却剂可以通过一个更大的热交换器循环冷却堆栈。但实际情况是，为了使堆栈达到最佳运行状态，堆栈冷却剂的进出口温度应分别等于反应物温度和产品气体温度。一个冷却电路几乎不可能预先定义进入堆的冷却剂的入口温度，因为冷却剂要经过不同的部件。此外，两个冷却电路允许使用不同的冷却介质而不会损坏燃料电池。两种冷却回路相对于一种冷却回路的优点是冷却温度更灵活，更容易随堆温和空气温度的变化进行调节。因此，本研究选择了双电路结构。除了系统配置外，系统中还应用了不同温度范围的冷却剂，并对其性能进行了阐述。

3.仿真工具

建立了零维稳态质子交换膜燃料电池模型。该模型是在一个名为动态网络分析(DNA)的内部软件中实现的，该软件是一个基于FORTRAN的仿真工具。该规范包含多年来开发的各种类型的热交换器，压缩机，泵，混合物，分离器等。用户可以在库组件中添加新的组件，本研究中燃料电池和加湿器也是如此。用于建模的方程可以是解析式的，也可以是半经验式的，如下所述。理论计算结果的准确性得到了叠加数据的验证，该模型得到的电流与电压关系曲线与相应的叠加数据吻合较好。本文所提出的模型可用于所有类型的质子交换膜燃料电池(PEMFC)堆，其调整参数将在以下几节中详细说明。

4. 分析模型和基本方程

为了建立质子交换膜燃料电池(PEMFC)的一般零维模型，采用半经验解再现了燃料电池的实验极化曲线。平均电池电压以解析式的形式地表达为：

其中为开路电压。分别为活化损失、欧姆损失和浓度损失。在文献中提出了许多用于预测上述术语的方程式，这些方程式在下面的部分中详细说明。

4.1活化损失

应用下式计算了包括阳极和阴极在内的堆的整体活化损失。这是一个被广泛使用的方程，它与许多作者报道的各种实验数据非常一致：

其中为叠加电流，项为常系数，可通过收集各极化曲线记录时的实验数据，代入上式求常系数。C_O2是界面上的氧浓度可以用亨利定律表示如下

表示氧的分压，表示栈的工作温度。

4.2欧姆损失

在文献中有许多关于欧姆损耗和浓度损耗的方程，本文对其中的一些方程进行了综述，最后将提到本研究中用到的方程。欧姆过电位可用以下公式计算

其中为电流密度，为膜的离子电阻，为膜的电子电阻。与离子电阻相比，后者的贡献很小，因此在计算时通常忽略了这一点。采用以下方法计算欧姆损耗

膜电导率sigma;_m (S/cm)可以关联与膜的含水量和栈的工作温度采用下式

通过膜的含水量剖面是未知的。文献中对膜厚含水率的测定有不同的假设。本研究假设一个线性函数。假设膜中水的剖面是一个线性函数，平均值膜含水量等于电极/膜界面的膜含水量可以为通过下面的表达式定义。

其中lambda;c和lambda;a代表阴极和阳极膜的含水量。a_w为水蒸气活性，定义为:a_w=P_w/ P_sat ，在理想条件下，lambda;camp;a等于14，相对湿度为100%在过饱和的条件下，可以达到22。用阴极水分压代替P_w或阳极侧，两电极的a_w均可计算。替换a_w在阴极或阳极具有水蒸气活性，lambda;c和lambda;a可以分别求值。然后可以把lambda;mem的值计算出来。

4.3浓度损失

另一种电压损失是由反应物气体浓度引起的浓度损失。有些文献中给出了计算浓度损失的一些理论公式。由于浓度损失在非常大的电流下占主导地位，这里不应用，也因为在本研究中讨论了系统的稳态行为，这一项没有发挥重要作用，在计算中被忽略。

5. 膜的水管理

聚合物电解质中的含水量对质子交换膜燃料电池的堆寿命和膜的离子电阻有重要影响。膜内的低湿化会导致离子电阻迅速增加，高湿化会导致太多的液态水溢出到反应物通道中，填满电极上的孔隙。为了在膜中具有高的离子导电性，它应该充分水化。水化可以通过气体的加湿来实现，也可以通过设计燃料电池来允许产品水对膜进行水化。本研究采用两种方法。一般情况下，水在聚合物电解质中的扩散表现为两种形式:一种是电渗透阻力现象，它是质子(H )穿过膜时与水分子数目的代表。但当水在阴极一侧生成时，这种现象就会反过来。水的浓度梯度使水从阴极向阳极侧流动，称为水的反扩散。电渗透阻力引起的水摩尔通量可定义为

，

其中为饱和电渗透阻力，实验值在2.3到2.7之间，本研究假设2.5。

反扩散由下式给出:

如前所述，假定膜内的水剖面是一个线性函数：

其中z为膜厚轴。膜的净水输运是电渗透阻力和反扩散两种效应的综合作用

这是流入阳极的净水和燃料混合。燃料总是饱和在阳极出口。液态水通过净化阀从系统中排出，剩余的燃料与进口干燃料混合，然后混合物再循环回到堆中。计算净水通量所需的另一个参数是水的扩散，它是膜含水量的函数。已经有很多尝试来定义这个参数。文献中提出的相关关系如下：

式中，D_w为扩散系数。有文献表明D_lambda;的相关关系如下，这个方程只是适用于lambda;_mem gt; 4

在另一项研究中，应用了如下公式：

在本研究中，应用了另一种表达式：

通常情况下，由于反扩散效应从阴极流向阳极的水量要远远大于由于电渗透阻力从阳极流向阴极的水量。通常氢在阳极出口是饱和的，因此存在液态水和水蒸气。由水蒸气混合的未反应燃料经过净化后再循环回到系统中，使得入口燃料也增湿。因此，不需要如上所述在阳极侧加湿器。

6. 质量平衡

对反应物中的各组分分别应用质量平衡方程。水的质量平衡可以写成：

这些方程分别代表了阴极和阳极上的水质量平衡，可以是液体，也可以是蒸汽。Acell为活性细胞面积，MH2O为水分子量。mH2O为水体质量流量，下标in、out、gen分别代表进水口、出水口和生成的水。

7. 增湿器

在本系统中，阴极侧采用加湿器对电化学反应产生的水进行循环利用。本文采用简单的质量平衡模型，利用阴极出口的水对进入的空气进行湿化。利用实验数据确定了加湿器的进、出口温度，并在相似工况下进行了设置。换句话说，加湿器的作用类似于混合器，在其中干燥的空气得到加湿器取决于堆栈的入口温度和所需的湿度。水被分离并添加到干燥的空气中，以达到所需的湿度水平，在大多数情况下湿度为95%。然而，由于堆栈制造商的不同，这可能更改为其他值。

8. 极化曲线

应用上述方程，建立了通用的质子交换膜燃料电池模型。该模型可以应用于所有质子交换膜燃料电池栈，无论大小和尺寸，但参数对每种栈类型都是唯一的，可以使用一组栈数据轻松计算。对于本研究中使用的堆栈，它们被发现为：

应用该方法，理论数据与实测数据吻合较好，如图2所示。表1为某个燃料电池堆的制造商推荐的运行参数，可用于本文的研究。这些操作条件用于基线情况。

图2 理论上和实验所得极化曲线的比较

9. 结果与讨论

9.1电压灵敏度相对湿度

如前所述，为了避免高离子电阻，在堆叠过程中保持膜的湿度尽可能高是非常重要的。由于氧气是直接从环境空气中获取的，所以在阴极进口处相对湿度较低，温度在60摄氏度左右。这就是为什么在系统中使用空气加湿器前，堆栈增加相对湿度的传入空气到所需的值。燃料电池的工作温度在62至70摄氏度左右，随着温度的升高;需要更多的蒸汽来保持湿度在同一水平。由于水是堆内化学反应的产物之一，因此保持膜的湿度在要求的范围内是非常重要的。湿度控制是一个具有挑战性的问题，如果湿度控制不当，可能会造成20-40%的电压下降。图3为进气相对湿度对电池电压的影响。

可以看出，将相对湿度由95%改为25%，电压下降可达29%。然而，当进口湿度从95%降低到70%时，极化曲线没有变化。其原因是产生的水足够高，使膜增湿，使离子电阻保持在最低

资料编号：[4237]