PEM燃料电池冷却和空气供应

朱万超

摘 要 本文主要讨论三种冷却燃料电池的方法：使用阴极气源冷却、分离反应物和冷却空气以及PEM燃料电池的水冷。通常情况下，一个燃料电池堆的发电效率约为50%，这就表明大约有一半的能量将会被浪费，这浪费掉的能量会产生大量的热能，必须及时处理，这有益于对质子交换膜的保护，也是燃料电池冷却和空气供应的意义所在。

关键词 燃料电池 冷却 空气供应

中图分类号：TM911.4 文献标识码：A

1使用阴极气源冷却

PEM燃料电池有一定的转化效率。在将氢能转化为电能时，效率通常约为50%。这意味着功率为X瓦特的燃料电池也必须处理大约X瓦特的热量。更确切地说，如果产物水在电池内蒸发，燃料电池产生的热量

这种热量消除的方式很大程度上取决于燃料电池的大小。用燃料低于100W的电池可以使用纯对流空气来冷却电池，并提供足够的空气流来蒸发水，而无需借助任何辅助装置。潮湿的空气比干燥的空气密度小，有助于流通过程。但是，对于更紧凑的燃料电池，小风扇可以用来吹动反应物和冷却空气，尽管大部分热量仍然会通过自然对流和辐射流失。

但是，当燃料电池的功率升高时，热量的比例就会降低，通过来自电池外表面的对流和辐射而损失。在实践中，这是冷却燃料电池的所有方法中最简单的方法，只能用于功率高达100W左右的系统。

2分离反应物和冷却空气

除了最小的PEM燃料电池以外，对反应物空气和冷却空气进行分离的需求可以通过反应气体和冷却气体组合的具体实例进行说明。

假设功率Pe Watts的燃料电池工作在50℃。电池组中每个电池的平均电压为0.6V，这是一个大家普遍认可的数据。让我们假设冷却空气在20摄氏度时进入电池，并在50摄氏度时离开（实际上，温度变化可能不会太大，但让我们以目前的最佳情况为例）。让我们假设只有40%的燃料电池产生的热量被空气清除-其余部分从外表面辐射或自然对流。

燃料电池产生的热量（如果水以蒸汽形式离开）

只有40%的热量被空气去除，比热容以的速率流动，并受到温度变化 的影响。所以我们可以这么说

代入已知的值，即，，并重新排列，我们得到冷却空气流量的下列公式：

如果反应物空气和冷却空气是同一个，那么这两个量是相等的，所以这两个方程可以等同。取消，代入，并求解 我們得到

如果本节开头所做的假设更加真实，那就是更多的热量不得不被空气吸收，温度变化也会减少，那么情况会变得更糟。为了阻止电池干燥，减少 （在50℃时应该在3到6之间）的唯一方法是减少流过电极的空气并设置独立的冷却系统。这一点出现在25%以上的热量必须通过冷却液清除。实际上，这似乎在大约100W的区域内。比这更大的燃料电池通常需要单独的反应物空气供应和冷却系统。

冷却电池的通常方式是从100到1000瓦左右，在双极板上制造额外的通道，通过这些通道可以吹送冷却空气。或者可以添加单独的冷却板，空气通过该冷却板被吹入。

3 PEM燃料电池的水冷

从空冷变为水冷的时机问题与其他发动机如内燃机的情况相同。从本质上讲，空气冷却更简单，但确保整个燃料电池随着温度变得越来越大而变得相似的温度会越来越难。使用燃料电池时，对水冷的需求可能比汽油发动机更大，因为性能受温度变化的影响更大。另一方面，汽油发动机的水冷却也有助于隔音，这就是为什么当空气冷却可能足够时它有时用在摩托车上的原因。总的来说，我们预计从水冷到空冷的“转换”将达到几乎相同的功率水平，即几千瓦。5千瓦以上的PEM燃料电池将采用水冷，而2千瓦以下的燃料电池则采用空气冷却，其间的电池决策是一个判断问题。

其中一个因素肯定会影响到是否采取降温的决定，这个问题就是'将要用热来做什么'的问题。 如果它只是排放到在大气中，那么偏向于空气冷却。 另一方面，如果要回收热量，例如在一个小型的家用热电联产系统中，那么水冷变得更有吸引力。如果能量保持在高温状态，水冷要比空冷保持“热量”要容易得多。

4结论

合理有效的冷却和空气供应是保证质子交换膜燃料电池效率和性能维持在比较高的水平的关键，尤其针对车用燃料电池，因其工作温度远低于传统内燃机的工作温度，冷却系统需要更大的热容量，从而使产生的多余热能更快的被处理，水热管理直接影响到电池的性能。热管理的目的不仅仅是指将电堆中的热量带出，更重要的是保证电堆内温度分布的一致性，减小电堆内的温度梯度和避免在局部有热点的产生。

参考文献

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