聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究.pdf
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1、电力行业节能22节能 ENERGY CONSERVATIONNO.08 2023聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究陈承戴1 王长宏1*苏舜辉2(1.广东工业大学材料与能源学院,广东 广州 510006;2.广州西奥多科技有限公司,广东 广州 510555)摘要:聚合物电解质膜燃料电池是绿色环保的能源利用技术,电池内部的水热平衡对电池性能至关重要。通过雾化冷却实验、非持续雾化实验、雾化激活电池实验,探究雾化对聚合物电解质膜燃料电池性能和寿命的影响。结果表明:与不使用雾化相比,100 mL/h的雾化量可以将电池内部平均温度降低10;非持性雾化后,在全工作电压范围内的电池性能得到明显提
2、升。与未使用雾化相比,在6.0 V条件下雾化20 min的电池的电流输出增加20%。雾化技术还可以重新激活搁置的电池;雾化协同送风使电池性能几乎重新恢复到出厂前的状态,同时促进了电池高电流输出时的稳定性。电池极限输出功率比出厂前高出约24.9%。关键词:聚合物电解质膜燃料电池;雾化;新能源;极化特性;水热管理中图分类号:TM911.4 文献标识码:A 文章编号:1004-7948(2023)08-0022-04 doi:10.3969/j.issn.1004-7948.2023.08.006Research on performance of atomization hydrothermal
3、management system for polymer electrolyte membrane fuel cellCHEN Cheng-dai WANG Chang-hong SU Shun-huiAbstract:Polymer electrolyte membrane fuel cell(PEFC)is a green energy utilization technology,and the internal water-heat balance is very important for PEFC performance.Through atomization cooling e
4、xperiment,non-continuous atomization experiment and atomization activation battery experiment,the effect of atomization on the performance and lifetime of polymer electrolyte membrane fuel cell was explored.The results show that compared with no atomization,the average temperature of PEFC can be red
5、uced by 10 under 100 mL/h atomization.After non-persistent atomization,the PEFC performance can be obviously improved in the whole working voltage range.PEFC performance at 6.0 V for 20 min of atomization is 20%higher than the current voltage without atomization.Atomization technology can also be us
6、ed to re-activate the PEFC.The atomization combined with air supply makes the cell almost recover to the pre-factory performance,while also promoting the stability at high current output.The PEFCs ultimate output power is about 24.9%higher than before it is manufactured.Key words:polymer electrolyte
7、 membrane fuel cell;atomization;new energy resources;polarization properties;water and heat management引言聚合物电解质膜燃料电池(PEFC)具有绿色环保、高能量密度和低噪声等特性,是下一代绿色能源利用技术1。PEFC的工作范围低于100,其阴极产生的水以气、液形态存在。液态水过多会引发水淹,阻碍氧气传输2,导致电极氧饥饿甚至老化。膜脱水会导致膜破裂,因此,合理的水热管理对提高电池寿命至关重要3。为了提升水热管理效果,通常进行阴极流场设计。传统流场包括平行流场4、蛇形流场4、叉指流场4和泡沫流场
8、5。Yu6等研究丰田Mirar燃料电池汽车使用的细网格流场,发现该流场具有导引空气的作用,增强了排水和氧气传输。另外,局部温度和气体流速过高都会导致膜脱水7。Lee8等研究干燥条件下流场肋的保水性能,结果表明,更大肋有助于提升保水性能。水、热管理是相互影响。通过空气冷却9、被动冷却、液体冷却和相变冷却也可以进行水热管理。Matian10等研究冷却通道尺寸对冷却性作者简介:陈承戴(1995),男,博士在读,研究方向为燃料电池等。通信作者:王长宏(1980),男,博士,教授,研究方向为热电技术、燃料电池、电池热管理等。基金项目:国家自然科学基金(项目编号:52176063);广州市黄埔区国际合作项
9、目(项目编号:2021GH03)收稿日期:2023-04-02引用本文:陈承戴,王长宏,苏舜辉.聚合物电解质膜燃料电池雾化水热管理系统的性能研究 J.节能,2023,42(8):22-25.电力行业节能23NO.08 2023节能 ENERGY CONSERVATION能的影响,设置更大的通道尺寸可以改善均温性能。Luo11等使用超薄热管提升了PEFC散热和电流分布,且温差在0.3 K以内。Choi等12利用HFE-7100冷却液冷却PEFC,研究冷却液的传热特性,结果表明,对流传热系数与热通量和蒸汽质量有很大关系。与上述水热管理技术相比,雾化具有冷却电池、改变空气湿度并激活PEFC的潜在能力
10、,通过雾化调节PEFC性能的研究较少。从雾化特性出发,研究雾化冷却、非持续性雾化调节水热平衡以及雾化激活电池等对PEFC的影响。1PEFC工作原理PEFC的工作原理如图1所示。阴、阳极气体通道内分别通入空气和氢气。在通道内,气体经过扩散层传输至催化层进行催化反应。氢气在阳极被催化分解成质子和电子,两者分别通过膜和外电路到达阴极,与氧气结合生成水并产热。2实验系统介绍雾化-燃料电池性能测试系统如图2所示。PEFC为风冷式燃料电池堆,阴极通道空气由风扇供应;氢气经氢气供应管路输入电池,雾化由超声波雾化器产生通过风扇送入阴极侧;核心风冷式燃料电池堆由10个电池组成(工作电压010 V)。系统工作时,
11、氢气和空气通入电池5 min,控制电子负载使PEFC以恒电压模式进行极化测试。利用Agilent 34972A采集热电偶温度。在雾化研究过程,雾化液滴经过风道被吸入电池堆中进行实验。3实验概况根据研究目标进行雾化冷却实验、非持续性雾化处理实验以及雾化激活电池实验。雾化冷却实验研究不同雾化量的冷却PEFC效果;非持续性雾化实验中,送雾化PEFC一段时间后停止使用,接着进行极化特性测试;雾化激活电池实验中,利用雾化改变空气湿度和冷却能力,探究雾化量与风速协同水热调节,重新激活电池或恢复电池性能。3种实验的操作条件如表1所示。4结果与讨论4.1不同雾化量对PEFC输出性能的影响不同雾化量对PEFC极
12、化特性的影响如图3所示。由图3可知,输出电流随着工作电压的降低而增加;工作电压为8.06.5 V时,电池处于活化损失状态,雾化混合空气的雾化流提升了水活度而降低活化损失。与不使用雾化相比,100 mL/h 雾化量下,电流输出提升约5%。在低工作电压状态时,产热量升高与水淹问题容易引发局部过热、温度不均匀。由于雾化液滴具有蒸发吸热特性,可以将电池内部热量带走,改善局部过热问题,工作电压为5.55.0 V时电流输出得到提升。不同雾化量对PEFC内部平均温度的影响如图4所示。图2雾化-燃料电池性能测试系统图1PEFC的工作原理表13种实验的操作条件实验组雾化冷却非持续性雾化雾化激活电池PEFC工作电
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