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质子交换膜燃料电池堆的性能
R. Johnson\，C. Morgan，D. Witmer，T. Johnson
阿拉斯加大学费尔班克斯能源中心北部工程研究所PO Box 775910，539 Duckering Bldg。 费尔班克斯，AK 99775-5910，美国
摘要
该工作报告了在一系列负载下3kWe质子交换膜燃料电池的性能以及结果的热力学分析。 构建了测试台并用于评估燃料电池的性能。 结果发现，第一法则的效率超过了48％，第二法则的效率超过了55％。 从测量的四个功率水平直接测得的总电输出的3％内，使用测量参数进行的第一次定律分析计算出的总体功.
关键词：能量平衡; 第一法则效率; 第二法则效率; 可逆电源; 极化曲线; 效率曲线; 不可逆性; 质子交换膜燃料电池; 试验台
- 介绍
- 阿拉斯加费尔班克斯大学（UAF）联合桑迪亚国家实验室（SNL）正在评估质子交换膜（PEM）燃料电池在阿拉斯加农村地区用于固定发电的用途。 偏远地区电力项目（RAPP）是由美国能源部（USDOE）氢气项目O4ce提供的。 该计划的制定是为了满足阿拉斯加乡村在进入21世纪时的电力需求[1,2]。
如今，农村发电主要由集中式柴油发电机提供。20世纪70年代，当国家开始从新建的Trans-Alaska Pipeline获得石油收入时，村庄的电气化就开始了。 阿拉斯加州的电力成本均衡计划提供补贴，以便农村居民支付每千瓦小时的费率，与城市居民每月消耗的第一个500千瓦时相似[1]。能源中心的第一项任务是评估PEM燃料电池在阿拉斯加农村作为固定式发电机使用。UAF与SNL合作开始一个三期项目。 在第一阶段，几家公司将燃料电池交付给SNL，并证明燃料电池可以产生标称3千瓦的电力。 第二阶段的能源和质量平衡以及对改革者和系统整合的评估。 第三阶段将包括向SNL和UAF能源中心提供综合设备，以进行广泛的3地测试。
本文介绍了从Schatz能源研究中心（SERC）获得的PEM燃料电池的第二阶段试验结果分析。 位于加利福尼亚州洪堡州立大学的电监会开发了一种具有300厘米\聚合物膜的60电池PEM燃料电池堆，其运行在大气压附近。
2. 实验方法
2.1. 燃料电池测试台
为了获得燃料电池效率的可靠数值，来自燃料电池内部每个质量和能量流的数据系统被独立测量和记录。在eEort中构建测试台以测量与燃料电池相关的所有能量Huxes。能量进出燃料电池包括进入的氢燃料，直流电，净化氢，反应物空气和去离子（DI）水冷却回路中的热量。 另外，DI水泵和离心式风机消耗电力。 前者包含在我们的控制范围内。
燃料电池测试台配有热电偶，流量计，压力传感器，电压传感器和功率计。 试验台的示意图如图1所示。燃料电池试验台的尺寸为1：2m 0：9m，高度为0：8m。 本文报道了其用于测量PEM燃料电池在四个不同负载范围（1至2：7 kWe）范围内的性能。
使用市售的离心鼓风机向燃料电池提供氧化剂（空气）。 它是一个三级鼓风机，输入速度控制为0-10V .DI泵（50W）使冷却水循环通过燃料电池堆，而DI热交换器去除堆内产生的一部分热量。 DI水通过离子交换树脂床以保持低导电率。
离开燃料电池的空气在堆叠的操作温度下饱和。 排气也带有由化学反应产生的液体产物水。 该排气流通过分离箱以收集液体产物水。 DI水循环也通过淘汰赛。 该淘汰箱作为系统内所有液态水的收集点。
2.2. 仪表
在燃料电池测试台上使用多个仪器来收集数据。 质量如何使用层流式流量计测量进口空气的流量。 通过质量流量计以恒定压力将氢气供给到燃料电池组。 桨轮如何使用流量计测量体积流量通过燃料电池组循环的去离子水流量。 压力传感器用于测量多个流体的绝对压力。 温度数据采用K型热电偶采集。 使用阻性负载组来消散燃料电池产生的电力。 使用分流器来测量来自燃料电池堆的电流，同时在输出端子上测量堆的整体电压。 用瓦特计测量DI泵和鼓风机消耗的寄生功率。 所有仪器都经过严格校准
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- 系统控制和数据采集
计算机驱动的数据采集系统允许测试台上仪器收集的信息存储以供分析。 该项目团队从美国国家仪器公司（NI）购买了数据采集硬件和软件。 该软件与硬件配合使用户可以将控制信号发送至诸如泵，鼓风机，电磁阀等物品，以在控制系统的同时收集和记录数据。SERC燃料电池测试台使用两个电池。 每个机箱最多可容纳12个信号调理模块或控制模块。 每个信号调理模块连接到测试台上仪器的输出信号，每个控制模块连接到鼓风机，DI泵或电磁阀。 板凳上的大部分输出信号的范围为0-5 V或4-20 mA。 电脑本身连接到计算机内部的12位模数转换板。
2.3.1. 可视化界面
用于SERC燃料电池堆的LabVIEW虚拟仪器（VI）是在UAF编写的。 燃料电池控制系统的数据采集速率是可变的，默认设置为每5秒收集一次数据以进行测试。 每次计算机记录数据时，都会记录83个数据点并写入文本3le。 这83点包括：日期和时间，运行时间，60个单体电池电压，电池组电压，去离子水电导率，去离子水速率，电池组电流，空气和氢气的速率，风机和DI泵的寄生负载，3个压力测量和8个温度测量。 所有这些信号都由VI收集并放在电子表格3le中。 通过VI，用户可以在两种不同的模式下运行燃料电池。 第三模式，手动模式，要求操作员控制整个系统。 第二种模式是自动运行模式，它控制氢气吹扫并调节鼓风机以确保在各种负载下的合适的空气流量。 VI具有几个设定点，可以调整氢气吹扫长度和间隔，并随燃料电池的化学计量空气量调整。 自动操作模式在程序中有几个安全限制。
当VI处于自动运行模式时，每个燃料电池测试运行都会执行一致的启动顺序。 启动程序的第一步是打开一个为DI泵提供电源的继电器。 启动过程之前，DI的流量和电导率必须在其工作范围内。 然后打开离心鼓风机并将空气输送到燃料电池组。 接下来，打开氢气供应电磁阀，并将燃料提供给每个电池的阳极。 启动程序的第3步是打开净化电磁阀1秒。 燃料电池现在运行在“开路”或零电流。 负载组接触器已打开，完成了燃料电池的电路。
用于控制SERC燃料电池的VI的显示面板如图2所示。共有16个模拟量表
测试台和控制容量示意图
提供温度的VI控制屏幕，SERC燃料电池的速率，电压，电流和功率。 条形图显示燃料电池堆中所有60个电池的单个电池电压。
VI系统控制屏幕有三种类型的E4ciency读数显示在模拟量表中。 3rst e4ciency测量仪是总体电气效率。 该值是电池组产生的电功率量（电池组电压乘以电池组电流）除以通过氢气添加到燃料电池系统的净能量Hux（质量）氢气乘以其较高热值（ HHV））。 第二个e4ciency读数是净电气效率。 该效率从燃料电池组产生的总功率中减去DI泵和鼓风机所需的寄生功率。 最后的效率是名义上的第二定律效率。 该效率将堆电压除以理想的可逆堆电压。 根据Appleby和Foulkes [3]的可逆叠加
对于在25℃下工作的理想燃料电池，每个电池的电压为1:23 V.VI右侧的电压条形图显示了一条垂直于电压线的红色条。 这条线表示电压安全切断oE。 如果某个电池的电压低于此设定值（0.61 V），系统将关闭oE。 VI的右下角可以显示图表，例如理论空气系统在给定的氢气流量下的运行速度以及实际的空气吹风机提供给烟囱的速率。
鼓风机控制器可以在手动或自动模式下进行放置，并在VI的上部中间设置一个开关。 开关下方是一个显示屏，显示操作所需的理论空气量。 取决于运行参数，每个运行可以改变该值。
3. 结果与讨论
3.1. 能量平衡
进行能量平衡以考虑进入或离开燃料电池控制体积的所有能量Huxes。 供应给燃料电池的能量为氢气形式，副产物为直流电和水。 系统中的每个流都是基于热力学第一定律和第二定律进行分析的。 为了评估热力学系统，控制体积（CV）必须适当地减少。 能量平衡的CV（图1中的虚线）包括燃料电池堆，泵，分离盒和DI柱。 离开DI水并重新进入换热器附近的CV，空气进入鼓风机之后，并在淘汰赛后退出。 测量这两个流的每一个的入口和出口温度，并且对于输入到我们的模型的每个功率水平，在至少20分钟的时间内平均数据。 效率图还包括系统内的鼓风机.
3.1.1. 首先是法律分析
使用气体表格和形成焓计算从氢气添加到燃料电池的能量Hux。 反应氢气和氧气形成液态水是放热化学反应。 能量通过以下等式计算：
HH2O=nH2o(hfo h)H2o-[nH2(hfo h)H2 no2(hfo h)o2]
其中n是以千摩尔计的每种物质的摩尔数，hfo中的生成焓（kJ /kmol），以及h从当前状态到参考状态的焓差（kJ / kmol）。
通过定义，氢和氧的形成焓为零[4]。 水的焓含有产品水在54℃下离开控制体积的事实。 这导致283：6 kJ / kmol =/K的大小
或211：0 W =（slm H2），这是HHV的99.2％。 然后将焓hh20乘以氢气的净摩尔流量以获得Hux添加到系统中的能量的量。 消耗的氢气摩尔量可以通过测量的电量非常精确地计算出来
当前1摩尔产生2摩尔后者。 Hux在产品水中进行的能量在氢气和氧气的化学反应中进行说明，并且不会在第一定律能量平衡中重复。
3.1.2. 加湿器：阳离子和水回收
由于PEM燃料电池需要潮湿的环境，并且潮湿环境需要能量，因此在潮湿区域执行能量平衡可以让我们计算添加到燃料电池空气流中的水蒸气量。为了将DI水蒸发到空气流中以将其相对湿度升高到100％，大约需要来自去离子水的1300W热Hux用于2750W的发电。 SERC燃料电池的运行需要空气流几乎100％地被水蒸气饱和。来自燃料电池堆的外部流体执行由化学反应产生的产物水以及来自进口空气和蒸发的DI水的蒸汽。从这条河流中回收能量Hux并凝结两相如何对阿拉斯加农村地区的应用非常重要。在阿拉斯加的农村，水是一种有价值的商品，特别是在极端永久冻土地区，这些地方不容易钻井。
3.1.3. 冷却
为了使堆在稳定状态下运行，必须以恒定的速率去除热量。 使用类似于在浴室淋浴中发现的恒温混合阀来控制DI热交换器的出口水温。 整个热交换器的较大温差导致Hux从燃料电池组中移出的热量更多。 DI热交换器为热电联产提供了最高能源Hux。 在家庭或小型建筑物中使用冷却回路进行空间加热应用可以提高燃料电池系统的燃料利用率并提高整体效率。
3.1.4. 氢气吹扫并传导到周围环境
Hux以氢气吹扫形式离开系统的能量可以通过将其氢气的发热量乘以它的速率来解释。 净氢气燃料如何反应形成液态产品水。 为了该实验的目的，清除的氢气未被回收。 提高净电效率需要收集该质量如何并返回用于燃料电池或集成系统的其他部件，如重整器。
根据表面温度，由于对流和辐射导致的周围环境的传热速率大约为燃料电池110瓦，再加上击穿箱，DI塔和聚乙烯管的160瓦。 如果将燃料电池放置在住宅内以产生电力和家庭供暖，则这些对周围环境的损失可以用作有用的热量。
3.1.5. 电力和第一法则的效率
燃料电池的电力通过两种独立的方式通过实验测量。 第3次来自负载组上的数字读数，第2次来自分流器的堆电流和堆电压的乘积。 当电力的实验值和燃料系统的能量Huxes的计算值被置于等式 （2）（代表热力学的第三定律），计算与测试台上的测量相关的误差。 两次独立读数之差为2750 W运行时的61 W.当61 W除以净能Hux添加到系统中的氢量（5652 W）时，这导致1％的误差。对于4个功率水平，这个最大误差为2.6％。
Welec=Hh2-Hpurge-HDlloop-HMOistair-Qconvection-Qradiation Error Wp
其中H和Q项表示所示量的焓Huxes和传热速率。 对于我们的CV，DI术语是从去离子水向热交换器倾倒的热量。 空气期限表示在鼓风机之后离开淘汰箱的湿空气的焓Hux减去相同的期限到燃料电池中。 一般而言，对于燃料电池组，总的电力效率随着总电力产量的减少而增加（Welec）。 这种增加是由于电池电压增加，并在第三定律中得到反映.电压效率方程N1V /1.48。 在较低的电功率水平下，燃料电池组的电压高于在较高的电负载下的电压。 反过来，燃料电池堆的电压更接近电池堆的第3定律理想电位。 低功率水平（例如低于150W）的净电气效率等于零，或者由于寄生负载而为负值。 这表明随着发电量的减少，净电效率存在限制.图3和4显示了Huxes进入和离开燃料电池的总能量为2750 W总能量的能量。 在图3中显示了数据的表示，例如温度，压力，流量如何以及计算量（例如效率和可逆功率）。 这些数据与其他信息一起使用来构建图4。条形图显示供应给测试台的净氢和泵功形式的能量Hux进入系统等于计算内的系统能量Hux错误。请注意，Hux进入系统的最大能源是净氢气形式，离开系统的最大Hux是燃料电池产生的电能
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