PEMFC发电系统散热器设计及系统运行研究

质子交换膜燃料电池(PEMFC: Proton Exchange Membrane Fuel Cell)因其具有能量效率高、低噪音、零污染、设计操作简单、低温启动、安全稳定等诸多优点而成为新能源技术领域的研究热点之一。质子交换膜燃料电池的水热管理问题对于电池的运行性能有着至关重要的影响,不当的水热管理会使电池的输出功率很低、效率很差,甚至会影响燃料电池的运行寿命和安全,因此与质子交换膜燃料电池系统相关的散热器设计对于稳定发挥燃料电池的性能有着重要的意义。 本文对燃料电池的发展历史、国内外燃料电池商业化研发和应用现状和发展趋势进行了比较清晰的阐述。通过对燃料电池基本知识的介绍,阐述了燃料电池的工作原理、种类和特性。 本文研究了质子交换膜燃料电池电化学反应的基础理论,包括PEMFC的工作原理、组成结构、性能影响因素等问题,从而有利于深入理解燃料电池电极反应过程,计算电化学反应的能量转化效率、产生的热量等。 燃料电池将氢和氧的化学能通过电极反应直接转化成电能,其电化学反应将生成热和水。燃料电池热管理,主要是对电池内部流体流动和传热进行控制,保持电池的热平衡和水平衡。本文对PEMFC电堆的主要冷却方式进行了分析,并对电堆的冷却液进行比较和选择;本文通过对电堆的热平衡的研究,计算了电堆工作时产生的热量和散发的热量。 为了保证燃料电池电堆稳定地工作,必须对其工作温度进行有效的控制。因此本章通过对PEMFC发电系统散热要求的分析,对该5kW级燃料电池发电系统散热器进行了材料选型和结构设计,并同过计算对散热器的设计进行了验证。并通过进一步的计算确定了风扇的选择和主要的控制策略,保证PEMFC发电系统工作时的电堆温度在合适的范围。 本文介绍了5kW级燃料电池发电系统空气供应子系统、氢气供应子系统、冷却水子系统以及控制系统的设计,对发电系统进行了测试,并对测试结果进行分析总结,展望了进一步的研究方向。