空气供给系统对kW级质子交换膜燃料电池系统的影响

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质子交换膜燃料电池(PEMFC)是通过化学反应将化学能转变为电能的-种电化学装置，PEMFC系统包括：冷却系统、阴极供给系统、阳极供给系统、加湿系统、安全系统、控制系统 。类似于其他类型的燃料电池，在保证膜正常工作的情况下，空气压力和空气过量系数(即空气流量)越大，电堆性能就越好，但是在提高电池性能和使用较高压缩空气所需的能量之间存在-定的平衡口 ≌气供给系统为 PEMFC电堆提供合适的压力、流量，在电堆平稳运行过程中，压缩机(风机)系统可以用电堆产生的电能来带动运行 ，提高整个 PEMFC系统的运行效率 ，需要旧能减少压缩机 (风机)系统所消耗的能量。文献[6]对千瓦级自呼吸电堆进行了试验分析，但通过试验方法得到的结论在-定程度上存在片面性，并且试验成本相对较高，本文通过建模仿真的方法，从 kW级电堆的输出电压、等效内阻和输出功率 3个方面对压缩机(风机)系统输出的流量压力要求进行理论分析。

1 质子交换膜燃料电池电堆模型根据 PEMFC电堆经验模型 ，PEMFC单池的输出电压为：V l：E -E -E。h i ～E， (1)式中， 为电堆输出电压；E 为单池在无外部负载时的热动力平衡电势；E 为活化极化电势；E j。

由 Nernst方程的展开式可得热动力平衡 电势为 ：E 1.229-8.5×10- ×(T-298.15)4.308×10- X T×(1nPH。0.51nPo )， (2)式中，P ，为电堆阳极氢气的有效分压，MPa；P。 为电堆阴极氧气的有效分压，MPa；T为电堆温度，K。

当电堆正常工作时，电堆对压缩空气的要求随电堆输出电流以及电堆温度发生改变，P。： P -R日c×P 。-P ×expf )， (3)式中，P 为电堆阴极气压，MPa；RHC为阴极水汽相对湿度，理想状态为 1；P 为电堆阴极氮气的有效分压，MPa；P 为增湿水的饱和蒸汽压，MPa；i为电堆输出电流，A；S为参与反应的膜的面积，em 。

当PEMFC运行时，需要对反应气体进行增湿处理，增湿水具有饱和蒸汽压，基金项目：国家自然科学基金项目(50906022)作者简介：杨晴霞(1988-)，女，河南荥阳人，硕士生；仲志丹(1975～)，男，河南洛阳人 ，副教授，博士，硕士生导师，主要从事工业 自动控制系统与先进能源技术研究。

收稿日期：2012-03-31第 2期 杨晴霞等 ：空气供给系统对 kW级质子交换膜燃料电池系统的影响 45·分H。。。本文设定气源管道、加湿器为理想状态，即没有时间延滞、动态变化和能量消耗。

燃料电池用压缩机(风机)出口空气流量比较大，并且需要有高能量转换效率，以及严格的质量、体积和整机噪音等的控制 。满足条件的常用压缩机有螺杆压缩机、涡旋式压缩机和涡轮压缩机等，它们具有结构紧凑、零部件数少、无易损件、体积孝重量轻、良好的力平衡性能以及运行可靠性好等优点。

- 般情况下，使用压缩机较风机而言提供的压力较高，但是其等熵效率较低，成本较高。因此，选择合适的压缩机或风机十分必要。

工作压力对于不同的燃料电池输出电压的影响不尽相同，但基本趋势-致。根据前面的模型可知：进入电堆的空气压力的增大，在-定程度上有利于降低阴极活化极化程度，从而提高电堆的输出功率。

也就是说，在消耗相同的燃料(相同的输出电流)的条件下，可以通过提高进入电堆的空气压力来增加输出功率。增加输出功率的代价是压缩机(风机)会消耗掉-部分的功率，根据压缩机(风机)的效率、入口温度、压力比和绝热压缩公式 ，压缩机(风机)的理论功率为：71 r， p 、( -1) 1 ， 。 CP ×Il- 1 -1 ， (14) ，m ，，c 、 amb/式 中，. 。 为压缩机(风机)消耗的功率，W；C 为空气定压热容，取 1.004 J/(g·K)； 为环境空气温度，K；叼 为压缩机(风机)的机械传动效率；叼 为压缩机(风机)的等熵效率；P 为环境空气压力，取0.1 MPa； 为空气比热比，取 1.4。

3 kW 级 PEMFC电堆参数和试验条件kW 级 PEMFC电堆参数 ：串联单池个数 为 30；电池反应面积 为 235 cm ；质子膜采用 Nafion15(125 m)，其厚度 z为0.012 7 cm；电堆最大电流密度 ， 为0.430 A/cm ；电堆的额定功率为 1 kW。

kW级 PEMFC电堆运行条件：反应气体采用氢气和空气；电堆阳极相对湿度 RHa为 1；电堆阴极相对湿度 RHC为 1；电堆理想运行温度 为 333.15 K；电堆阴极空气压力 P 为 0.1～0.4 MPa；电堆阳极氢气压力 P 为 P 0.1 MPa。

kW 级 PEMFC电堆运行条件 ： 为 -0.947 582； ：为 3.068 65×10-； 3为 7.665×10～； 为- 1.880×10～； 为 14.829 5；阻碍 电子通过外 电路 的阻抗 尺 为 7.690 6×10 n；方程 系数 a为0.020 274 54 V。

压缩机(风机)系统参数：压缩机(风机)的等熵效率 卵 为0.7；压缩机(风机)的机械效率 叼 为0.98。

4 仿真与分析利用 Matlab软件对电堆模型以及空气供给系统模型进行仿真，得到如图1～图4所示的仿真图。

由图1可以看出：在空气流量-定时，随着进入电堆的空气压力的增大，电堆的输出电压随之增大；在空气压力-定时，随着进入电堆的空气流量的增大，电堆的输出电压随之减校并且空气供给系统输出的空气流量对电堆输出电压的影响相对 比较大 ，空气压力对电堆输出电压 的影 响相对较续入电堆的空气压力的增大，在-定程度上有利于交换电流密度增加，电堆在较大电流密度下运行时，引起电池电压下降的浓差极化程度也会减小，从而提高开路电压。

由图2可以看出：随着进入电堆的空气流量增大，电堆的等效内阻随之减小，电堆性能变好。但是如果进入电堆的空气流量过大，则可能引起质子交换膜在阳极侧脱水，或者在阴极侧积水，这两者都会使电堆内的化学反应无法正厨行，直接表现就是电堆内阻瞬间增大，造成电堆的不稳定，应该尽量避免这种情况的发生。

由图3可以看出：随着进入电堆的空气流量的增： ，电堆的输出功率随之增大，但存在-个最大功率点，不同压力下的最大等效功率点位置也不同。在不考虑压缩机(风机)消耗的功率时，进入电堆的空气压力越大，电堆的输出功率也随之变大。图4为加入压缩机(风机)系统，图4与图3进行对比，带压缩机(风机)系统的电堆最大等效输出功率点明显发生变化，带压缩机(风机)系统的电堆最大等效输第 2期 周俊萍等：光纤环形激光器的j不内外光反馈效应 ·51·[5][6][7][8][9]Donati S，Giuliani G.Laser Diode Feedback Interferometer for Measurement of Displacements without Ambiguity[J].IEEEJ Q E，1995，31(1)：113-119。

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