质子交换膜燃料电池空压机系统与能流分析_杨晴霞

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1、第33卷第3期河南科技大学学报:自然科学版Vol．33No．32012年6月JournalofHenanUniversityofScienceandTechnology:NaturalScienceJun．2012文章编号:1672－6871(2012)03－0016－04质子交换膜燃料电池空压机系统与能流分析杨晴霞，仲志丹，张洛平(河南科技大学机电工程学院，河南洛阳471003)摘要:首先，从质子交换膜燃料电池电堆阴极的需求对空压机出口压力、流量进行理论分析;然后，根据能量守恒原则从整体上对质子交换膜燃料电池供气系统中双螺杆压缩机的能

2、流进行分析。通过分析可知:空气供给系统电机的控制与电机特性、压缩机特性、电机的转速、电堆控制输出对象均密切相关。关键词:质子交换膜燃料电池;双螺杆空气压缩机;能量守恒;电机控制中图分类号:TM911．42;TH138．21文献标志码:A0前言质子交换膜燃料电池(PEMFC)以氧气、氢气为燃料，具有热效率高、噪音低、污染低等优点。［1］PEMFC系统构成大致上包括:冷却系统、空气供给系统、氢气供给系统、安全系统、控制系统等。为了［2－3］提高PEMFC系统中质子交换膜的性能，电堆阴极气体压力要比阳极气体压力高0.05～0.10MPa。空气

3、供给系统的建模方法可以分为机理模型建模和辨识建模，其中机理建模方法由于局限性相对较小［4］应用最为广泛。空压机在PEMFC系统中占有举足轻重的地位，满足质子交换膜燃料电池电堆阴极对空气的压力、流量等要求的同时，提高整个质子交换膜燃料电池系统的运行效率，需要尽可能减少空［5］压机系统所消耗的能量。空压机系统运行过程中，电机的输入电能会经过一系列能量分流，其中一部分转化为压缩空气的内能，而流动气体内能与气体的压力、流量以及温度密切相关。传统的研究只是针对PEMFC电堆的性能，很少考虑到辅助设备，尤其是空压机系统对整个PEMFC的影响。本文对

4、电机输入电压与电机特性、压缩机特性、电机的转速、电堆控制输出对象之间的关系进行理论分析，为接下来的相关研究提供理论依据。1PEMFC空气供给系统机理分析在整个空气供给回路中，空气经过过滤进入空气压缩机，空气压缩机经过传动系统与电机相连，调节电机的输入功率、输入电压控制压缩机输出空气的压力以及流量，压缩空气经过加热、加湿等环节达到电堆对空气的温度、湿度等要求，理想气体开始进入电堆进行工作，由于空气过量系数大于1，从电堆排出的废气含有水蒸汽、空气以及少量未参与反应的氢气，经过气、水分离的水可以进入水箱继续循环使用，剩余气体由于还具有余压，可

5、用做其他用途。图1为空气供给系统示意图。1．1空压机理论出口压力空气供给系统所供给的空气压力增加时燃料电池中的氧气分压随之增加，空气压力的增加同样有利于提高增湿系统的增湿效率和燃料电池电堆的效率。由于本系统采用的反应气体为空气和氢气，空气成分主要由氮气和氧图1PEMFC空气供给系统示意图基金项目: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:2011－10－24第3期杨晴

6、霞等:质子交换膜燃料电池空压机系统与能流分析·17·气组成，忽略其他成分的影响，根据理想气体定律，由文献［6］可知空压机出口气体分压关系如下0．79PN2=PO2;(1)0．21－0．832PO2=Pca－PH2O－PN2exp(0．291(I/S)Tca)，(2)其中，PN2为电堆阴极氮气的分压，0．1MPa;PO2为电堆阴极氧气的有效分压，0．1MPa;Pca为电堆阴极气2压，0．1MPa;Tca为电池阴极温度，K;I为电池输出电流，A;S为有效电极面积，cm;PH2O为增湿水的饱和蒸汽压，0．1MPa。从式(1)和式(2)整理可以

7、得到空压机输出空气压力为0．832－1Pair=［0．21+0．79exp(0．291i/T)］(Pca－PH2O)，(3)2其中，Pair为空压机输出的空气压力，0．1MPa;i为电堆的输出电流密度，i=I/S，A/cm。由文献［7］可知整个系统阴极空气压力连续动态变化dPO2RTca=(fO2－fO2，used－fO2，ca，out);(4)dtVcadPN2RTca=(fN2－fN2，ca，out)，(5)dtVca其中，R为通用气体常数;Vca为电池系统电堆阴极气体体积;fO2为进入电堆的氧气的摩尔流量;fN2为进入电堆的氮气的

8、摩尔流量;fO2，used为反应过程所消耗氧气的摩尔流量;fO2，ca，out为电池系统电堆阴极出口氧气的摩尔流量;fN2，ca，out为电池系统电堆阴极出口氮气的摩尔流量。通过式(4)和式(5)可知:质子