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质子交换膜燃料电池系统的设计及计算


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第3 6卷

第 5期 

杂电力  
E s  O n El c i  wer a t hia  e trc Po  

V0 _   No.   136 5 M l   20   d v 08

20 0 8年 5

月  

质 子交换膜 燃料 电池 系统的设计及计算 
徐蓉 辉 , 袁 伟 
5 04 ) 16 0  ( 华南理工大学 机 械与汽车工程 学院 , 广东 广州



要: 介绍 了质子 交换 膜燃 料电池 ( E C) P MF 系统 的设计及 计算 , 根据华南理工大 学 5  W 燃料 电池电站 的  0k

设计参数 , 计算 了供 气量及空气和氢气加湿量 , 出了一整套详细 的包括供气 系统 、 提 加湿系统 、 水热管理系统 、   安全控制系统在 内的燃料 电池电站设 计方案 。   关键词 : 质子交换膜 ; 燃料 电池 ; 设计参数 
基金项 目: 粤港 澳 重 大 招 标 项 目( 2 4 5 3  B 0 17 )

作者简介 : 徐蓉辉 (9 3 )男 , 士生研究 生 , 18 一 , 硕 主要研究燃料 电池 电站冷却 、加湿系统的开发及水热管理 。  
中 图分 类 号 :M 1.  T 9 14 文 献 标 识 码 :  A 文 章 编 号 :0 1 5 9 2 0 ) 50 6 -3 10 - 2 ( 0 8 0 - 40   9 0

De i n ofp o o   x ha e m e sg     r t n e c ng   mbr ne f lc l sato s se   a  ue  el t i n  y t ms  
XU 廊   一 i hu ,YUAN   i We 

( col f caia & V hc   nier g S uhC iaU i r t o ehooy G a ghu5 0 4 ,C ia  S ho o  hncl   Me ei eE gne n 。 ot  h   n esy f cnlg , unzo   60 hn ) l i n v i  T 1
AbtatT eds no  epo n xh nem m rn  e cl ( E C)s t nss m  rsn d ae nte src :h ei  fh rt   c ag  e bae ul el P MF g t oe f   t i  yt i peet .B s o    ao e s e d h
d s n p r mee so   e 5   W   e  elsain i  o t   h n   ie st  f e h oo ,t e s p l  n   u dfc — e i   aa tr   f h   0 k f lc l tt  n S uh C ia Un v ri o   c n lg g t u   o y T y h  u p y a d h mii a  i
to   ft e g sa   l  st e h i n o  h   a   swela  h   umi i c to   fh d o e   r   ac ae df a in o   y r g n we e c lultd. A  ea ld f e  e lsai   e i n s he  s i d tie  u lc l t t on d sg   c me i 

p o o e  n l d n  h   a   u p y s se ,t e h mi i c t n s s m ,t e h a  n g me ts se ,a d t e s c r y r p s d i cu i g t e g s s p l  y tm h   u d f ai  y t i o e h   e tma a e n  y tm n  h   e u t  i
c n r ls se . o to  y tm  

Ke   r s p oo   x h n e me r n ;f e  el e in p r me e  y wo d : r t n e c a g   mb a e u lc l;d s   a a tr g

随着传 统 能源储 量 的不 断减 少及 其利 用方 式 
所 造 成 的环 境 污染 的不 断 增 加 , 类 必 须 尽 快 寻  人

同 的 , 常根据 燃 料 电池 的不 同工 况 提供 压 力 可  通 控 的气 源 。另外 , 氧化剂 采用 纯氧 , 电池 的功 率 密 

找 开发 能替 代传 统 能源 的新 能源 。 而被称 为第 四  代 发 电技 术 的燃 料 电池  , 于其 发 电效 率 高 、 由  
无 污染 而倍 受人们 的关 注 。燃 料 电池 是一 种基 于  氢 能 的能量 转换 装 置 , 它可 以连 续 地 将 氢 气 和 氧 

度明显高于采用空气 , 实际应用 中考虑到经济  但
性 和方 便性 , 设 计 的燃 料 电池 电站 采 用 空气 作  所
为氧化 剂 , 净 化 重 整 气 ( 度 9 . % ) 替 纯  以 纯 99 代 氢, 系统 工作 压力 为 0 2  P 。 .5 M a  燃 料 电池 总 的化学反 应 式 :  
1  

化剂( 纯氧 或 空 气 ) 过 电化 学 反 应 直 接 转 换 成  通 电能 。科学 家 预测 , 氢能 有可 能成 为 2 世 纪替 代  1 传统 能源 的清 洁 能 源 。 因此 , 开发 燃 料 电池 在 能 
源 领域 具有 重要 的意义 。  

H + 2 H O+   2 ÷O = 2 Q
厶 

玎 .P  

P =   ,=   ÷    2  2
式 中 : ——化 学 反 应 热 , ; _ Q JP 电 堆 设 计 输 出功 率 ,   k ; — —单层设 计输 出电压 , e W  V;—— 电子 电量 , .   16x

1工 作 压 力及 反应 气 
燃 料 电池 的工作 压力 通 常都 是在 0 4M a以  .  P
下, 最低 压力 为 大气 压 。就理 论而 言 , 想 获得 高  要 的功率 密 度 , 子交 换膜 燃 料 电池 ( E C 必 须  质 P MF ) 在 较高 的工 作 压力 下 运 行 , 是 如 果 工 作 压 力 过  但

1  C;——时 问 , ;   0 f s n——单 层 反 应 转 移 的 电 子 数 ;   n—— 电堆层 数。 :  

按 照 电堆 设计 输 出功率 5 W 计 算 , 0k 同时单 
层 设计 电压 选 取 0 5 V, 实 际 电压 在 0 7 V左  .  但 .  右, 这样 处 理 只是 为 了放 大 氢气 的 流量 。理论 上 

大 , 能会 导致 电堆 核 心 部 件— —质 子 交 换 膜 因  可 负荷 过 大 而受损 。由于燃 料 电池 的工作 压 力和 反  应 气 通过 电堆后 压力 降 对 于各个 燃料 电池 都是 不 

为达到 5 W 的输 出功 率 每 小 时 反 应 所 产 生 的  0k 氢离子 数 :  

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徐蓉辉 , 等

质子 交换膜 燃料 电池 系统的设计及计算 

Ⅳ =  

2=  

= 2 25 × 1      0 04

电机 , 以通 过调 节 电动 执 行 器 的蜗 杆 位 置 来控  可 制 阀 的开度 , 而 控 制 空 气 的 流 量 。空 气 流 量计  从 安 装在 加湿 器 的人 口前 , 它与 电动 调 节 阀构 成 了 

氢 消耗 量 :  
m H = 

_ 3 7 8k/   ./b g h 3  /

简单 的闭环 控 制 , 以精 确 控 制 空 气 的流 量 。湿 度 

传感器 、 温度传感器和压力传感器采集空气在进 
氧消耗 量 :  

入 电堆 前 的各项 物 理参 数 , 保 空 气 供 给 系 统 运  确
转正 常 。  
2 2 氢气 供给 系统  .

m o=(6×÷) H=2.0 gh 1 m 990k/ 
由此计 算 氢气 的体 积流 量 :  



6 7 7   /m i  9 . 60 L n

氢 气 供给 系统 中 , 用 重 整气 ( 度 9 . % , 采 纯 99  

氧气 的体 积 流量 :  
Vo


压力 04MP )氢 气 经 过减 压 阀后 压 力 降为 0 2 .  a , . 




3 8. 33 L/ n 4 8   mi  

0 2   a再 经 由氢气 电磁 阀 、 .5 MP 电动 调 节 阀 、 氢 

气 流量计 及 氢气 加 湿 器 进 入 电堆 , 程 如 图 2所  流
示。  

空气 的体 积 流量 :   Vi 16 2m / i( a  = .6   rn 理论 值 ) a   实 际所 需空气 体 积流 量是 理论 值 的 15倍 以  . 上 , 2 5 3m / i, 反 应 完 的空 气 直 接 排 人  取 . 8   mn 未
大气 。  

2 供 气 系统 设 计 
2 1 空气供 给 系统  .

空 气供 给 系统 为燃料 电池 电站提 供压 力 和流 
量 可控 的气 源 , 中供气 系统 包括 空气 压缩 机 、 其 储  气罐 、 冷冻 式干 燥机 、 空气 减 压 阀 、 电动调节 阀 、 空 

气 流量 计 、 空气 加湿 器 以及 湿度传 感 器 、 度传 感  温 器 和压 力传 感器 等 , 整个 系统 流程 如 图 1 示 。 所  
图2 氢 气 供 给 系 统 流程 图 

由于在 实 际运 转过 程 中 , 空气 总是 过量 的 , 燃  料 的消耗 率主 要 是 指 氢气 的消 耗 率 , 由于 氢 气 较  为 昂贵 , 氢气 直 接 向外 界排 放 存 在 严 重 的安 全  且 隐患 , 因此 设置 了一 个氢 气循 环泵 , 于把 反应 后  用 的残余 氢气 重 新 泵 人 氢 气 供 给 管路 。此 外 , 统  系 中还专 门设 置 了氮 气 扫气 支 路 , 与 氢 气 支路 相  它
并联 , 其作 用是 在 燃 料 电池发 动 机 启 动 前 和关 机 

后 执行 扫气 流 程 , 管路 中残 存 的氢气 清 除 , 将 以免  残 余氢 气 和空气 混合 产 生危 险 。  

3 加湿 系统设计 
图 1 空气 供 给 系统 流程 图   

此 空气 供给 系 统 中 , 压 机 采 用 斯 可 络 公 司  空
的螺 杆 式 空 压 机 , 大 空 气 流量 达 3 1m / n, 最 .    mi  

P MF E C的运行 模拟 和试 验分 析 表 明 j随 着  :
电流密 度 的提 高 , 电池 内阻会 明显 增大 、 工作 电压 

最 高工 作 压 力 为 0 7MP , 于 5 W 燃 料 电池  .  a大 0k 电站设 计 流 量 2 5 3m / n和 设 计 压 力 0 2  . 8   mi .5
MP , a 故可 以满 足 系统 运 行 要 求 。管 路 中 空 压 机 

急剧下降 , 其原因主要是 由于电池 内失去水平衡 ,   没 有满 足膜 的润 湿 条 件 。保 持 P MF 中的水 平  E C
衡 往往 是 提高 电池 性 能 和寿 命 的关 键 因素之 一 。  

提 供 的气体 通 过 减 压 阀将 压 力 降 低 到 工作 值 , 供 
气 系统 中的 电动调节 阀实 际上是 一个 小 型 的步进 

为 了使 5 W 质 子 交 换 膜 燃 料 电池 所 需 的氢 气  0k 和空气 达 到湿度 的要 求 , 需 的加 湿 量 计算  如  所

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6 (总 5 2   6 8)

要氧电力  
导 率传 感器 , 以监测 进入 电堆 的循 环水 电导 率 ;   由

F:  

( )空 气加 湿 量  1

于进入 电堆 的循 环 水 要 求 有 较 小 的 电导 率 , 此  因 循 环水 必须 使 用脱 离 子 水 , 冷 却 水 泵 出 口处 接  在


若 空压 机入 口温 度 为 2  ̄ 压 力 为 P 0 1 5( 2、  = .  MP 、 和蒸 汽 压 为 P =0 0 3 18 MP 、 对 湿  a饱   .0 6  a 相 度 西= 0 , 空 压机入 V每 1k 6% 则 I   g空气 的含湿 量 :  
d1 = 0 01   5 k   . 20   g

个 离子交 换 器 , 于缓 和循 环 水 中离 子 量 的增  用 此外 , 由于水箱 中的水会 不 断减 少 , 设 置液  需

加。  

入堆 空 气 的 温 度 为 7  ̄ 、 力 为 P 0( 压 2  =0 2  .5 MP 、 和蒸 汽 压 为 P =0 0 1 1MP 、 对 湿 度  a饱   . 3    a 相 西=1 0 , 进入 电堆 每 1k 0% 则   g空气 的含 湿量 :  
d2 = 0 08     g . 8 37 k  

位传 感器 。 电堆 工 作 时 , C E U根 据 温 度 传 感 器 、   水流 量计 传 回 的信 号 来控 制 冷 却 水 泵 的流 量 , 将 
循环 水 的进堆 水温 控制 在 7 0℃左 右 , 出堆 水温 控 

制在 8 0℃左 右 , 而 维 持 电堆 内部 的热 平 衡 , 从 使  电堆 高效 、 稳定 运 行 。为安 全起 见 , 冷却水 的 电导 

则对 每 1k   g空气需 要 的加 湿量 
Ad = 0 0   2 k   . 76 3   g

由于空 气 的体 积 流 量 取 V =15 m / ,   5    h 干  空 气密度 为 1 0 9k /   则入 堆 空气 的质 量流 量  . 2  g m ,
为 :   =V ?   =1 9 4 5 k h 最 后 得 到 空  m   P 5 . 9    ,

率必须控制在 0~ 0  sc 20I/m以下 , x 一旦 电导率传  感器 检 测到 冷却 水 的电导 率 超 过 规定 值 , C E U将 
发 出报 警信 息 , 前再 生 水 循 环 或 者更 换 冷 却 循  提
环 水 

气 的加 湿量 是 G =m ?A     d=1.7   h  2 13k 。
( ) 氢 气 加 湿 量  2

5 安全 控 制 系统 的 设 计 
通 过各 个传 感器 、C E U和 执 行 元 件 来 完 成对 
氢 气供 给 系统 、 空气 供给 系统 和水/ 管理 系统 的  热

由于采 用 了高 纯度 的氢 气 ( 9 9 ) 认 为 氢  9.% ,

气 进入 加湿 器 前 含湿 量 为 0 取 进 入 电 堆 前 氢 气  ;
的温度 7 0℃ 、 压力 为 P 0 2  a 相对 湿 度   = . 5 MP 、

控制 , 以满 足 负 载 变 化 对 电 池 电站 功 率 的要 求 。   为 了电堆 电站运 行 的安全 , 须 在 开机 前 先用 N  必 ,

=10 , 0 % 并假 设 其 饱 和 蒸 汽压 和空 气 相 同 , 同理  计 算 每 1k   g氢 气 需 要 的 加 湿 量 A d=0 0 83  . 8 7
k 。 由于  g = 18 6 I / , 氢气 的密 度 P ,   4 .6  1 h 干 I   H= 0 0 99k /   则氢 气加 湿 量是 G ,   。? H   . 8  g m ,  = P ,?
A d=0 3 26 k / 。 . 3   g h 

对整个系统进行一 次扫气 , 以清除管路中的残余 
氢 气 ; 防止质 子 交换 膜 两 侧 的气 体 压力 升 高速  为 度太快 , 氢气 供 给 系 统 电 动 调节 阀的 开 启 状况  对 和空气 供 给 系统 电 动 调 节 阀 的 开启 状 况 进 行 调  节 , 其压 力升 高速 率按 一定 规律 进行 ; 系统 中  使 在 设 置 H 传 感 器 和 电导 率传 感 器 , : 当探 测 到 有 H  
泄漏或 冷却 循环 水 电导 率过 高时 , 即通 过 E U 立 C 

4 燃 料 电池 电站水热管理 系统 设计 
燃 料 电池 电站 工 作 中 , 电堆 中 的化 学 反 应 会 

产 生 大量 的热 量 , 果不 能及 时 散发 , 如 那么 过 多 的  热 量 积 累必将 导致 电堆 内温 度 的升 高 、 子 交 换  质 膜 的失 水 、 电堆 性 能 的 下 降 。运 行 中 的 P MF   E C 电堆 热量 来 源 主要 有 化 学 反 应 热 、 耳 热 ( 源  焦 来 于欧姆 极 化 ) 加 湿 气 体 带 入 的热 量 和 吸 收 的 环  、
境辐射热 ; 电堆 散 热 主要 渠 道 有 电堆 尾 气 、 辐  热

发 出信号 , H 系统和空气系统入 V电磁 阀; 切断   I  
当氢气 、 空气供 给 系统 中的压 力差 过高 时 , 立 即  应 切断氢 气 和空 气 的供给 。  
参考文献 :  
[] 1  衣宝廉. 燃料电池—— 原理 ?技术 ?应用 [ . M] 北京 : 化 
学 工 业 出 版 社 ,0 3 20.  

射 _ 、 环水 冷却 、 4循 j 电堆 的热平 衡 _ 。 5  ]
为 了平 衡 5   W 燃 料 电池 的反应 热 , 计 方  0k 设

[] 王 2 

江. 甲醇质子交换 膜燃料 电池 的水 和热管 理 [ ] 洁  J.

净 煤 燃 烧 与 发 电技 术 ,0 2 1 : 22 . 2 0 ( ) 2 -7 

案 选择 耐热 循 环水 泵 以及储 水箱 构成 冷却 循环 水  系统 。在冷 却 水循 环部 分 中 , 冷却 水 由水 箱 通 过  冷 却水 泵进 入 电堆 , 出 电堆后 进 入 氢 气 加 湿 器  流 加 湿 氢气 , 后 通 过散 热 器 散 热 后 流 回水箱 。此  然
循 环 回路 中 , 电堆 的循 环水 进 口、 口处 及水 箱  在 出

[ ] 唐永华 , 3  颜伏伍 , 侯献军 , 燃料 电池 发动机水热管 理系  等.
统设计研究 [] 华东 电力 ,05 4 :52 . J. 2 0 ( ) 2 -8  [] 4  [] 5  姚仲鹏 , 王瑞君 , 习军 . 张 传热学 [ . M] 北京 : 北京理 工大 
学 出 版 社 ,9 5  19 .

肖合林. 燃料电池发 动机系 统计算分析 [ ] 武 汉理工 大  J.
学 学 报 ,0 4 5 :46 . 2 0 ( )6 -   7

中分别 设 置温 度传 感 器 , 检测 进 出 电堆 的循 环  以 水 温 和水 箱 内 的水 温 ; 电堆 前 专 门设 置一 个 电  在

收 稿 日期 :0 80 -1 20 -31 

本 文编 辑 : 林 青   杨


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