风冷燃料电池堆简介及其设计思路

目前燃料电池的温度控制有风冷式和水冷式2种。水冷式主要用于大功率燃料电池系统，同时需要增加制冷设备，结构复杂；而风冷式结构简单，无需增加冷却设备。水冷电池堆的冷却系统在双极板上开有专门的冷却流道，并配有冷却水泵，水箱，散热器以及相关的管道，因而大大增加了系统的复杂性，一般应用在输出功率30kW以上的场合中，如分布式电站、燃料电池汽车等领域。风冷燃料电池电堆简化了其冷却、加湿以及空气压缩机或气泵等系统，通过特殊流道的结构设计，使供气和冷却系统合二为一，这使得燃料电池在便携式电源上的应用更加方便，主要应用在对功率要求较小（10W-5kW）的场合中，如移动电源、无人机等领域。

  风冷电堆根据空气的作用可以划分为区域风冷电堆(area-air-cooling)与阴极开放式风冷电堆(open-cathode)。前者只是将空气作为冷却剂使用，在电堆中如果没有设计专门的冷却流道，往往达不到预期的冷却要求，而在电堆内部额外添加冷却流道，那电池结构对于水冷电池没有提升，反而冷却效果更低，电池不能在最优工作条件下运行。阴极开放式风冷电堆的电堆则考虑到了前者的优缺点，使空气在穿过整个电堆进行冷却时，同时给电池中的化学反应提供氧气。这种结构相比水冷电池更加简单，还提供了较好的冷却能力，在整个电池系统中减少了氧气储罐、水冷系统，还降低了电堆的质量与体积。现在研究中提到的风冷质子交换膜燃料电池时，一般都是描述阴极开放式风冷电池。

1.1 燃料电池的基本参数

  质子交换膜燃料电池电池堆功率是随着人们的需求而设定，下面论述500W的燃料电池的设计。给定设计基本参数要求，如表1所示。

  本文将风冷燃料电池工作电流密度为300mA/cm²对应的点视为风冷燃料电池堆额定工作点，电池工作电流密度为400mA/cm²对应的点视为电堆峰值输出工作点。

  表2中:W—单电池的功率密度;J—单电池额定的电流密度;V—单电池电压。可得W额=J额×V额=180mW/cm²，活性面积S=P/(W×N)=500/(0.18*20)=138.89cm²，额定功率P额=W额×S×N=504W，峰值功率P峰=W峰×S×N=560W。

  数据如表3所示。

1.2 氢气流道的设计

  氢气流道设计的主要参数活性面积为 7×20=140cm²，电堆片数N=20，电堆H₂流量7.02L/min，单电池H₂流量qh=7.02/20=0.351L/min，单电池H₂尾气流量q=0.351×0.2/1.2=0.0585L/min。氢气流道为双蛇型，流场形式双蛇型；流道数为2；流道宽a，流道深度b；岸宽c，如图1所示。

  流道的宽度a=1mm，岸宽c=1mm，流道深度b取0.3mm或0.4mm。

  对氢气流道压力分布采用 Fluent 仿真如图2所示。

  图2说明，在流道中间部分受力最均匀。边缘处压力差达到最大，在边缘处压力差极化最严重。当流道数越多时，流道压力越来越小。仿真结果表明发现水滴是可以吹出氢气流道的。

1.3 空气流道的设计

  设计要求为直流道57条，单电池流量—qo=2Q/20=Q/10L/min(Q—单个风扇的流量)；活性面积—7×20=140cm²；电堆—20片。空气流道设计图如图3所示。

  空气流道的具体参数如表 4。

1.4 风扇的选择

  选取的风扇工作参数如表5所示。

1.5 电堆的结构

  电堆由单电池一片片堆叠而成，燃料电池属于复杂惯性系统，电堆内部温度和湿度的特征响应需要一定的过程，而非快速反应系统。操作条件是影响质子交换膜燃料电池性能很重要的因素，在实际操作过程中，可以进一步优化操作条件，创造一个良好的电化学反应环境，延长燃料电池的使用寿命。

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