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(gè)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(huì)被浪費(fèi)，這浪費(fèi)掉的能量會(huì)產(chǎn)生大量的熱能，必須及時(shí)處理，這有益于對(duì)質(zhì)子交換膜的保護(hù)，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(hào)：TM911.4 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)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(shí)，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(duì)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(duì)于更緊湊的燃料電池，小風(fēng)扇可以用來吹動(dòng)反應(yīng)物和冷卻空氣，盡管大部分熱量仍然會(huì)通過自然對(duì)流和輻射流失。

但是，當(dāng)燃料電池的功率升高時(shí)，熱量的比例就會(huì)降低，通過來自電池外表面的對(duì)流和輻射而損失。在實(shí)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(dá)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(duì)反應(yīng)物空氣和冷卻空氣進(jìn)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(shí)例進(jìn)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(gè)電池的平均電壓為0.6V，這是一個(gè)大家普遍認(rèn)可的數(shù)據(jù)。讓我們假設(shè)冷卻空氣在20攝氏度時(shí)進(jìn)入電池，并在50攝氏度時(shí)離開（實(shí)際上，溫度變化可能不會(huì)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(duì)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(dòng)，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(gè)，那么這兩個(gè)量是相等的，所以這兩個(gè)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(shí)，那就是更多的熱量不得不被空氣吸收，溫度變化也會(huì)減少，那么情況會(huì)變得更糟。為了阻止電池干燥，減少 （在50℃時(shí)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(dú)立的冷卻系統(tǒng)。這一點(diǎn)出現(xiàn)在25%以上的熱量必須通過冷卻液清除。實(shí)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(dú)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?dú)的冷卻板，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(shí)機(jī)問題與其他發(fā)動(dòng)機(jī)如內(nèi)燃機(jī)的情況相同。從本質(zhì)上講，空氣冷卻更簡單，但確保整個(gè)燃料電池隨著溫度變得越來越大而變得相似的溫度會(huì)越來越難。使用燃料電池時(shí)，對(duì)水冷的需求可能比汽油發(fā)動(dòng)機(jī)更大，因?yàn)樾阅苁軠囟茸兓挠绊懜?。另一方面，汽油發(fā)動(dòng)機(jī)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(shí)它有時(shí)用在摩托車上的原因。總的來說，我們預(yù)計(jì)從水冷到空冷的“轉(zhuǎn)換”將達(dá)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(gè)判斷問題。

其中一個(gè)因素肯定會(huì)影響到是否采取降溫的決定，這個(gè)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(gè)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(duì)車用燃料電池，因其工作溫度遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)內(nèi)燃機(jī)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(diǎn)的產(chǎn)生。

參考文獻(xiàn)

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