[发明专利]质子交换膜燃料电池动态加载时空气流量的供给方法

说明书

技术领域

本发明涉及质子交换膜燃料电池领域，尤其涉及一种质子交换膜燃料动态加载时空气流量的供给方法。

背景技术

质子交换膜燃料电池是一种直接把化学能转换成电能的发电装置，由于其能量转换效率高、环境友好、功率密度和能量密度较高和功率范围广等优点，被认为是21世纪首选的清洁、高效地发电技术，受到各国政府和大公司的重视。

空冷型质子交换膜燃料电池阴极采用敞开式的空气流场，通过风扇供应空气，这种强制对流方式一方面起到给电堆散热的作用，另一方面会影响到电堆阴极侧的湿度。因此，空气流量对温度和湿度都有重要的影响，而且电池性能往往低于外部加湿方式的燃料电池。但是，由于在结构简单、体积小、重量轻等优点这类燃料电池广泛应用于便携式应急电源、便携电子设备电源和车载燃料电池，具有广泛的应用前景和研究价值。

风扇转速(空气流量)对电堆温度的影响，根据传热原理，可计算如下：

T=Tamp+Cp1ncelli(1.25-u/ncell)1+Cp1Cp2vair---(1)]]>

式中：T为电堆温度，单位：K；T_amp为环境温度，K；C_p1，C_p2分别为电堆和空气热容，单位：kJ·m^-3·K^-1；n_cell为电堆中单电池数量；i为电流，单位：A；u为电堆输出电压，单位：V；v_air为空气流量，单位：m^-3·s^-1。

由式(1)可知，在相同的环境和工况条件下，入口空气湿度和电化学反应后水生成量不变，空气流量减少导致电堆温度升高，从而使得饱和蒸汽压剧烈升高，导致电堆阴极侧相对湿度快速下降，阴极侧相对湿度下降会导致质子交换膜干燥，从而降低质子交换膜的质子传导率，以致造成电堆电压明显下降，电堆电压下降的同时极化电压升高，造成电堆内部产热增加，反过来使得电堆温度进一步上升，形成正循环，电堆电压不断下降。如果在该状态下持续工作会导致质子交换膜完全干燥继而成为绝缘体，最终引起燃料电池停止工作。

与此相反，空气流量增大会导致温度下降，使得相对湿度具有增大趋势，但是过多的空气流量会带走阴极侧的更多水分，阴极侧相对湿度具有降低的趋势，综合两者对于膜质子交换膜相对湿度的影响结果，可以看出较高空气流量使得膜相对湿度略有减少，导致电堆输出电压有所下降。

由此可见，风扇转速(空气流量)因素对于电堆性能具有决定性的影响，考虑到高转速还会降低电堆效率和系统效率，因此，空气流量应该按照最优值进行控制。其中影响空气流量最优值的因素主要有：负载电流、环境温度和环境湿度等。计算公式如下：

V＝f(I,T,R)

式中：I为负载电流，T为环境温度，R为环境湿度。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种质子交换膜燃料电池动态加载时空气流量供给方法，用于解决现有技术中的问题。

为达上述目的，本发明

本发明与现有技术不同之处在于本发明取得了如下技术效果：