質(zhì)子交換膜燃料電池低溫起動(dòng)方法的仿真研究

李友才，楊宗田，吳心平，郟國(guó)中

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

LIYou-cai,YANG Zong-tian,WU Xin-ping,JIA Guo-zhong

質(zhì)子交換膜燃料電池低溫起動(dòng)方法的仿真研究

李友才，楊宗田，吳心平，郟國(guó)中

（河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450007）

在一定假設(shè)條件下，將每片單電池分成10層，每層看成一個(gè)集總參數(shù)，利用Matlab/Simulink軟件搭建了由20片單電池及端板組成的瞬態(tài)分層集總參數(shù)電堆水熱管理模型。采用不同的起動(dòng)方法使電堆達(dá)到低溫起動(dòng)條件，對(duì)電堆的低溫起動(dòng)特性進(jìn)行仿真分析，得到不同低溫起動(dòng)方法的電堆內(nèi)部溫度分布規(guī)律和其自身起動(dòng)的所需時(shí)間，為燃料電池電堆低溫起動(dòng)的商業(yè)化提供技術(shù)支持。

PEMFC；雙極板加熱；低溫起動(dòng)；仿真分析

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）具有低噪音、無(wú)污染、零排放、高效率及室溫可快速起動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，是解決環(huán)境污染和能源枯竭問(wèn)題的重要汽車(chē)動(dòng)力源。由于PEMFC內(nèi)有殘存的水存在，當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，這些殘存的水就會(huì)變成冰，從而造成電堆的陰陽(yáng)極流道阻塞，由于水結(jié)成冰其體積增大約11%，會(huì)對(duì)燃料電池的壽命和冷起動(dòng)特性造成嚴(yán)重的影響。因此，低溫環(huán)境下起動(dòng)電堆前，需采取一定的低溫起動(dòng)措施來(lái)消除殘存冰對(duì)PEMFC的不利影響[1-2]。

本文通過(guò)建立由20片單電池及端板組成的瞬態(tài)分層集總參數(shù)電堆水熱管理模型，對(duì)電堆停機(jī)吹掃、電堆進(jìn)氣加熱、電堆端板和雙極板加熱、膜加熱/MEA加熱、電堆自加熱的不同低溫起動(dòng)方法進(jìn)行深入仿真研究。

1 建立燃料電池電堆模型

1片單體電池由雙極板、氣體擴(kuò)散層、催化層和PEM組成。在一定假設(shè)條件下，將每片電池分成10層（冷卻液流道、隔板×2、陰陽(yáng)極氣體流道、陰陽(yáng)極氣體擴(kuò)散層、陰陽(yáng)極催化層及PEM）。將單電池的各層和兩個(gè)端板層看作一個(gè)集總參數(shù)

單體電池各層總的通用能量方程如式（1）：

假設(shè)整個(gè)電堆的初始溫度為－20℃。端板由高分子聚合物材料制成，雙極板材料是石墨，質(zhì)子交換膜杜邦NafionR112。依據(jù)公式（1），利用Matlab/Simulink軟件搭建了由20片單電池及端板組成的瞬態(tài)分層集總參數(shù)電堆水熱管理模型，其模型示意圖如圖1所示[3]。

圖1 電堆模型示意圖

2 仿真計(jì)算與分析

2.1 電堆停機(jī)吹掃

電堆停機(jī)前數(shù)分鐘由控制器發(fā)出信號(hào)，對(duì)電堆停止加濕。關(guān)機(jī)后，由控制器控制風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)以一定轉(zhuǎn)速繼續(xù)運(yùn)行88 s[4]，對(duì)電堆陰極流道進(jìn)行吹掃。此時(shí)壓縮機(jī)出口空氣的質(zhì)量流量為0.005 kg/s。假設(shè)電堆冷卻液流道內(nèi)無(wú)殘存的冷卻液，對(duì)電堆停機(jī)后吹掃與不吹掃條件下進(jìn)行升溫仿真，仿真結(jié)果如圖2所示。從圖2可以看出，對(duì)電堆進(jìn)行吹掃與不吹掃的條件下，電堆陰極催化層溫度達(dá)到觸發(fā)溫度所需要的時(shí)間分別為89.7和181.9 s。電堆經(jīng)過(guò)吹掃其自身內(nèi)部殘存的水很少，在低于0℃的環(huán)境下生成的冰也很少，電堆最冷電池陰極催化層溫度達(dá)到觸發(fā)溫度的時(shí)間較短。而電堆不經(jīng)過(guò)吹掃其自身內(nèi)部殘存的水結(jié)成冰堵塞陰陽(yáng)極流道和擴(kuò)散層，假設(shè)每片電池的陰極氣體擴(kuò)散層有50%的空隙被冰堵塞，即每片電池陰極擴(kuò)散層和陰極流道內(nèi)有4.6 g冰，這些初始溫度為－20℃的冰在61 s時(shí)就使電堆每片電池陰極催化層的平均溫度達(dá)到0℃。但由于冰的熔解熱很大，需要77 s的時(shí)間才能將0℃的冰熔解完畢，然后再經(jīng)過(guò)43.9 s才能使電堆最冷電池陰極催化層的溫度達(dá)到觸發(fā)溫度，如圖3所示。這主要是由于冰的比熱容為2 100 J/kg·K，冰的熔解熱為335 000 J/kg，從而延長(zhǎng)電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度的時(shí)間。因此在低于冰點(diǎn)的環(huán)境下，在電堆停機(jī)后，對(duì)電堆吹掃一段時(shí)間是十分有必要的。

圖2 電堆吹掃與不吹掃條件下電池各層溫度分布

圖3 電堆中間電池各層溫度隨時(shí)間變化曲線

2.2 電堆進(jìn)氣加熱

電堆進(jìn)氣加熱即通過(guò)動(dòng)力電池或外接電源，在電堆不工作的條件，直接驅(qū)動(dòng)風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)，通過(guò)其對(duì)空氣進(jìn)行絕熱壓縮可使出口的溫度達(dá)到30～80℃，風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)出口溫度高低取決于其壓縮比的大小。將高溫高壓的氣體通過(guò)管路送入電堆陰極，通過(guò)空氣與電堆陰極流道表面進(jìn)行對(duì)流換熱來(lái)加熱電堆自身。設(shè)定環(huán)境和電堆的溫度均為－20℃，不同壓比的風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)出口的溫度分別為30、60和80℃，并假設(shè)電堆內(nèi)沒(méi)有殘存的冷卻液和殘存的冰，其所對(duì)應(yīng)的仿真結(jié)果如圖4所示。從圖4可以看出，進(jìn)入電堆陰極入口的溫度不同，電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度所需要的時(shí)間也不同。與電堆陰極入口溫度相對(duì)應(yīng)的達(dá)到觸發(fā)溫度所需要的時(shí)間分別為200、143.25和100 s，電堆中間電池各層的溫差很小，這主要由于石墨雙極板的導(dǎo)熱系數(shù)相對(duì)較大所致。電堆左右兩側(cè)電池各層溫度分布不對(duì)稱，主要由于熱空氣是由電堆陰極入口進(jìn)入電堆的，熱空氣首先與電堆的陰極流道進(jìn)行對(duì)流換熱，然后再將熱量向電池各層傳遞，所以電堆陰極側(cè)溫度較高。通過(guò)風(fēng)機(jī)/壓縮機(jī)對(duì)低溫下的環(huán)境空氣進(jìn)行絕熱壓縮來(lái)加熱電堆同樣是一種快速可行的低溫起動(dòng)方法，且該方法不需要對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)增加額外的硬件設(shè)備。

圖4 電堆電池各層溫度分布

2.3 電堆端板雙極板加熱

在加工端板（高分子聚合物）的過(guò)程中，將薄電加熱絲置于電堆左右兩側(cè)的端板內(nèi)。同樣在加工雙極板時(shí)，每隔一片電池或幾片電池將薄電加熱絲置于雙極板陰陽(yáng)極流道內(nèi)，其示意圖如圖5所示。在低溫起動(dòng)前，由控制器發(fā)出指令接通動(dòng)力電池對(duì)電堆進(jìn)行加熱。

圖5 電堆端板和雙極板加熱布置示意圖

2.3.1 端板加熱

假設(shè)電堆冷卻液流道內(nèi)無(wú)殘存的冷卻液，并且電堆陰陽(yáng)極流道內(nèi)沒(méi)有殘存的冰。分別向電堆的兩個(gè)端板加入50、100、200W的熱源對(duì)其進(jìn)行加熱，同時(shí)向每片電池的質(zhì)子交換膜內(nèi)加入40W的熱源，其仿真結(jié)果如圖6所示。從圖6可以看出，分別經(jīng)過(guò)44.7、44.5和44.2 s的時(shí)間都使電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度0℃，且電堆中間電池最高溫度分別達(dá)到了16.3、16.1和15.9℃，在不同端板加熱功率的前提下，電堆電池各層的溫度幾乎相等，但不同端板加熱功率對(duì)緊靠電堆兩側(cè)端板的電池各層溫度影響很小。因此僅僅利用外部熱源加熱端板幾乎不能縮短電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度0℃的時(shí)間。雖然從燃料電池系統(tǒng)的角度考慮，端板加熱方法比較容易布置，但是對(duì)于快速低溫起動(dòng)來(lái)說(shuō)加熱端板并不是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的冷起動(dòng)方法。

圖6 端板加熱電堆電池各層溫度分布

2.3.2 雙極板加熱

向電堆每片電池的雙極板內(nèi)分別加入20和50W的熱源，假設(shè)電堆冷卻液流道內(nèi)無(wú)殘存的冷卻液，并且電堆陰陽(yáng)極流道內(nèi)沒(méi)有殘存的冰，其仿真結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，分別經(jīng)過(guò)101.1、43.65 s的時(shí)間都使電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度0℃，且電堆中間電池最高溫度分別達(dá)到了20.3和24.2℃。電堆中間數(shù)片電池各層的溫差很小，溫差僅有0.3℃，而不像質(zhì)子交換膜加熱時(shí)電堆中間電池各層的溫差最大可達(dá)1.3℃。這主要是因?yàn)殡p極板的材料是石墨，石墨的導(dǎo)熱系數(shù)比質(zhì)子交換膜的導(dǎo)熱系數(shù)大很多。對(duì)電堆的低溫起動(dòng)來(lái)說(shuō)，選用合適的加熱功率對(duì)電堆的雙極板加熱同樣是一種快速、有效的方法。

圖7 雙極板加熱電堆電池各層溫度分布

2.4 膜加熱/MEA加熱

膜加熱/MEA加熱即每片或隔一片、幾片單電池在其表面安裝一個(gè)電加熱絲，在燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)前，通過(guò)起動(dòng)開(kāi)關(guān)將起動(dòng)信號(hào)傳給ECU，ECU將采集電堆溫度信號(hào)并作出判斷，若電堆處于冷起動(dòng)狀態(tài)，則ECU發(fā)出指令接通電源開(kāi)關(guān)給MEA或膜表面的薄電加熱絲供電，對(duì)電堆進(jìn)行加熱，使電堆自身的溫度升到0℃以上。

向電堆每片電池的MEA或膜加入20和50W的熱源對(duì)其進(jìn)行加熱，假設(shè)電堆冷卻液流道內(nèi)無(wú)殘存的冷卻液，并且電堆陰陽(yáng)極流道內(nèi)沒(méi)有殘存的冰，仿真結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出，電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度0℃所需要的時(shí)間分別為89.7和35.7 s，電堆中間電池的最高溫度分別達(dá)到15.7和16.5℃。因此，對(duì)電堆低溫起動(dòng)來(lái)說(shuō)，選用合適的加熱功率對(duì)MEA或膜加熱是一種快捷、有效的方法。通過(guò)在MEA或膜表面布置一定功率的薄電加熱絲，可以成功實(shí)現(xiàn)燃料電池電堆的低溫起動(dòng)。

圖8 MEA加熱電堆電池各層溫度分布

2.5 電堆自加熱

假設(shè)電堆陰陽(yáng)極流道內(nèi)沒(méi)有殘存的冰，電堆加載電流密度為1.0 A/cm2，不考慮加載過(guò)程中電化學(xué)反應(yīng)所生成的冰及冰對(duì)電堆單電池陰陽(yáng)極流道堵塞所造成的影響，仿真結(jié)果如圖9所示。從圖9可以看出，電堆在電流密度為1.0 A/cm2時(shí)，經(jīng)過(guò)47.6 s的自加熱使電堆最冷電池陰極催化層的溫度達(dá)到觸發(fā)溫度0℃，電堆中間第10片電池最高溫度達(dá)到8.3℃，滿足了起動(dòng)條件。但要使電堆所有單電池各層的溫度都達(dá)到觸發(fā)溫度0℃則需要74.4 s，電堆中間第10片電池最高溫度達(dá)到19.9℃。由于對(duì)電堆加載的電流大，單位時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的熱量多，此時(shí)散到空氣中的熱量可以忽略不計(jì)，因此，忽略結(jié)冰的影響，對(duì)電堆加載大電流可以在短時(shí)間內(nèi)將電堆單電池各層溫度加熱到0℃或以上，從而可使電堆滿足冷起動(dòng)的條件。

圖9 自加熱電堆各層溫度分布

電堆在起動(dòng)終了(47.6 s)，電堆單電池1、10和20各層的溫度分布如圖10所示，從圖10可以看出，電堆中間第10片電池各層溫度并不對(duì)稱，陰極催化層的溫度最高，達(dá)到8.3℃，這主要由單電池各層產(chǎn)生的熱量不同所致，電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生在陰極，產(chǎn)生的熱量聚集在陰極催化層，所以陰極催化層的溫度最高。電堆單電池第1和20(緊靠端板兩側(cè))陰極催化層的溫度都高于0℃，但靠近端板的幾層溫度仍低于0℃，比電堆所有單電池各層都達(dá)到0℃或以上所需的時(shí)間縮短了26.8 s。實(shí)際上，沒(méi)有必要使電堆單電池各層的溫度都達(dá)到0℃以上，在一個(gè)由幾百片單電池組成的電堆中，緊靠端板兩側(cè)的兩片電池各層溫度低于0℃，對(duì)整個(gè)電堆起動(dòng)來(lái)說(shuō)根本不受影響。

圖10 自加熱電堆電池1、10和20各層溫度分布

加載大的電流密度，電堆自身的溫度升高較快，但同時(shí)伴隨有較多的水生成，在電堆自身的溫度達(dá)到0℃之前，反應(yīng)所生成的水逐漸結(jié)成冰堵塞電池的陰陽(yáng)極流道，阻止氫氣和氧氣的繼續(xù)反應(yīng)，若在電堆自身溫度達(dá)到0℃之前，電堆電池的陰陽(yáng)極流道都被生成的冰堵塞了，則電堆會(huì)立刻停止工作。針對(duì)不同的電堆，單電池存在一個(gè)臨界電壓和與之相對(duì)應(yīng)的合適電流，在化學(xué)反應(yīng)生成的水結(jié)成冰完全堵塞電堆陰陽(yáng)極流道之前使電堆溫度達(dá)到0℃以上。因此在低溫環(huán)境下對(duì)電堆加載多大電流進(jìn)行自加熱，這是由不同規(guī)格的電堆所決定的。

3 結(jié)論

（1）電堆經(jīng)過(guò)吹掃其內(nèi)部殘存的水很少，在低于0℃的環(huán)境下生成的冰也很少，電堆最冷電池陰極催化層溫度達(dá)到觸發(fā)溫度的時(shí)間較短。因此在低于冰點(diǎn)的環(huán)境下，在電堆停機(jī)后，對(duì)其吹掃一段時(shí)間是十分有必要的。

（2）電堆陰極入口的空氣溫度不同，電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度所需要的時(shí)間也不同。電堆中間電池各層的溫差很小。電堆左右兩側(cè)電堆電池各層溫度分布不對(duì)稱。通過(guò)進(jìn)氣加熱電堆是一種快速、可行的低溫起動(dòng)方法，且該方法不需要對(duì)燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)增加額外的硬件設(shè)備。

（3）不同加熱功率對(duì)緊靠電堆兩側(cè)端板的電池各層溫度影響很小。僅僅利用外部熱源加熱端板幾乎不能縮短電堆最冷電池陰極催化層達(dá)到觸發(fā)溫度0℃的時(shí)間，因此加熱端板并不是一種經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的低溫起動(dòng)方法。

（4）對(duì)電堆進(jìn)行雙極板加熱，電堆中間數(shù)片電池各層的溫差很小，溫差僅有0.3℃，而不像對(duì)MEA或膜加熱，電堆中間電池各層的溫差最大可達(dá)1.3℃。這是由于雙極板的材料（石墨）導(dǎo)熱系數(shù)比MEA或膜的導(dǎo)熱系數(shù)大很多所致。對(duì)電堆加載大電流可以在短時(shí)間內(nèi)將電堆單電池各層溫度加熱到0℃或以上，從而可使電堆滿足低溫起動(dòng)的條件，但是需要考慮在加載過(guò)程中反應(yīng)所生成的水逐漸結(jié)成冰堵塞電池的陰陽(yáng)極流道和不同規(guī)格電堆的影響。

[1]李友才，許思傳，楊志剛，等.車(chē)用PEMFC保溫試驗(yàn)研究[J].電源技術(shù)，2010，34(4)：324-327.

[2]SUNDARESAN M,MOORE R M.Polymer electrolyte fuel cell stack thermal model to evaluate subfreezing startup[J].J Power Sources,2005,145:534-545.

[3]李友才，許思傳，楊志剛.不同電流密度的PEMFC冷起動(dòng)特性研究[J].電池，2009，39(3)：129-130.

[4]KHANDELWALM,LEE S,MENCH M M.One-dimensional thermalmodel of cold-start in a polymer electrolyte fuel cell stack[J]. Journalof Power Sources,2007,172(2):816-830.

Simulation study of cold startmethods for proton exchange membrane fuel cell

On given assumed condition,each cellwas divided into ten layers.Each layerwas regarded as a lumped parameter.The transient,layered and lumped parameter model of the stack including 20 single cells was built by applying Matlab/Simulink software.The stack's cold start condition was reached by adopting different cold-start methods.The cold-start characteristic of the stack was simulated and analyzed.The distribution principle of the stack interior temperature and the needed cold-start time of different cold-start methods were gained,providing the technicalsupport for the commercialization of the fuelcellstack's cold-start.

PEMFC;bipolar plate heating;cold start;simulation analysis

TM 911.4

A

1002-087 X(2014)05-0838-03

LIYou-cai,YANG Zong-tian,WU Xin-ping,JIA Guo-zhong

2013-10-25

校高層次人才基金（2010BS054）

李友才（1978—），男，河南省人，工學(xué)博士，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c新動(dòng)力。系統(tǒng)，具體模型見(jiàn)文獻(xiàn)[2]。