車用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆保溫仿真研究

李友才

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

車用質(zhì)子交換膜燃料電池電堆保溫仿真研究

李友才

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

建立10 kW燃料電池電堆有限元的簡化仿真模型。未采取保溫措施時(shí)，在－20、－10和15℃的環(huán)境溫度下，電堆從80℃降低到0℃所用的時(shí)間分別為3.0、4.0和8.0 h；用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃環(huán)境中對電堆進(jìn)行保溫，電堆從80℃降低到0℃需要26.3 h，電堆內(nèi)部溫差約為2℃，熱流在電堆的四個(gè)面均勻分布；用20 mm厚的VIP(真空絕緣板)在－20℃環(huán)境中對電堆進(jìn)行保溫，電堆從80℃降低到0℃需要34.8 h。因此，用20 mm厚的聚苯乙烯或VIP在－10和－20℃的環(huán)境下對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)的電堆進(jìn)行保溫，可滿足燃料電池汽車冬季上下班運(yùn)行的需求。

質(zhì)子交換膜燃料電池；低溫起動(dòng)；保溫材料；真空絕緣板

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)具有低噪音、無污染、高效率等優(yōu)點(diǎn)，它是解決環(huán)境污染和能源枯竭問題的首選汽車動(dòng)力源。當(dāng)環(huán)境溫度低于0℃時(shí)，PEMFC殘存的水就會(huì)結(jié)成冰，造成燃料電池的陰陽極流道阻塞。同時(shí)，由于水結(jié)成冰其體積增大約11%，對燃料電池的壽命和其低溫起動(dòng)特性造成十分不利的影響。因此，通過包裹一定數(shù)量的保溫材料來達(dá)到延長燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻時(shí)間的目的，從而避免燃料電池電堆自身的溫度降到0℃以下，避免電堆內(nèi)部結(jié)冰對燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)造成的不利影響[1-3]。

1 電堆保溫仿真模型簡化和建立

燃料電池電堆是一個(gè)復(fù)雜的多流道三維模型，一片電池內(nèi)有陰陽極流道和冷卻液流道?？紤]到計(jì)算機(jī)的計(jì)算能力，將三維燃料電池模型簡化為二維燃料電池模型。每片電池的正截面是一個(gè)正方形，其內(nèi)陰陽極和冷卻液流道中心對稱分布，所以以燃料電池電堆中截面的溫度分布替代整個(gè)燃料電池電堆的溫度分布，如圖1所示。

圖1 燃料電池電堆(110片電池)中截面示意圖

為了使計(jì)算機(jī)運(yùn)算能力滿足10 kW電堆溫度分析的需求，運(yùn)用熱電比擬理論，把一個(gè)由復(fù)雜結(jié)構(gòu)組成的雙極板簡化為具有等效熱阻率的長方體薄板。經(jīng)過兩次模型簡化后的10 kW燃料電池電堆的有限元模型如圖2所示。

2 電堆保溫仿真結(jié)果分析

2.1 無保溫措施仿真分析

所有保溫仿真研究的初始溫度都為電堆正常工作時(shí)的溫度(80℃)，環(huán)境溫度根據(jù)不同的環(huán)境條件對比分別設(shè)置為15、－10、－20℃。

圖3為不同時(shí)刻電堆中截面上溫度分布情況。從上到下依次為0、1、2、3和4 h電堆中截面的溫度分布情況。從圖3中可以看出由于沒有采取保溫措施，初始時(shí)刻電堆表面和環(huán)境的溫差較大，從而導(dǎo)致電堆和環(huán)境之間的熱流量較大，電堆溫度很快降低。

圖210 kW燃料電池電堆有限元模型示意圖

圖3 －10℃環(huán)境中無保溫材料自然降溫過程

圖4為在－20、－10和15℃下，沒有采取保溫措施時(shí)，電堆平均溫度從工作溫度80℃降低到0℃所用的時(shí)間分別為3.0、4.0和8.0 h。

圖4 不同溫度電堆降溫變化曲線圖

2.2 有/無保溫措施對比分析

圖5和圖6中橫坐標(biāo)的始點(diǎn)對應(yīng)燃料電池電堆最左側(cè)的端板，橫坐標(biāo)的終點(diǎn)對應(yīng)燃料電池電堆最右側(cè)的端板。從圖中可以看出在不同時(shí)刻圖5和圖6的溫度曲線對稱分布。

圖5 －20℃環(huán)境中無保溫措施時(shí)電堆溫度變化圖

圖6 －20℃環(huán)境中10 mm聚苯乙烯保溫電堆溫度變化圖

在－20℃的環(huán)境中，無保溫措施時(shí)電堆降溫到接近0℃所用的時(shí)間為3.0 h。使用10 mm的聚苯乙烯材料保溫以后，降溫時(shí)間達(dá)到17.9 h。從兩圖中還可以發(fā)現(xiàn)，圖6比圖5中的溫度曲線平坦，說明電堆在保溫條件下內(nèi)部溫度分布更加均勻，溫差較小。對比兩圖中不同時(shí)刻的溫度曲線可以發(fā)現(xiàn)，初始時(shí)刻無論是否采取了保溫措施，電堆內(nèi)部的溫差范圍都比降溫結(jié)束時(shí)刻內(nèi)部溫差范圍大。圖5中溫差范圍由初始的10℃左右減小到5℃左右，而圖6中溫差范圍由初始的3℃減小到1℃左右。

2.3 不同保溫材料保溫效果分析

采用的保溫材料有聚苯乙烯、橡塑泡沫和VIP(真空絕緣板)。其中聚苯乙烯、橡塑泡沫使用了兩種不同厚度的材料(10 mm和20 mm)，VIP的厚度為20 mm。各種保溫材料和電堆組成材料的相關(guān)熱力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 各種材料的主要熱力學(xué)參數(shù)

從圖7可以發(fā)現(xiàn)，添加了保溫材料以后，電堆的溫度分布更加均勻，電堆內(nèi)部的熱量通過保溫材料的四個(gè)表面均勻傳遞到環(huán)境中。而沒有采取保溫措施時(shí)，電堆的溫差主要存在于不同單電池之間，溫差主要集中在水平方向，所以溫度最先下降的是電堆的左右兩側(cè)的電池(圖3)，熱流也是主要通過左右兩側(cè)電池傳遞到環(huán)境中。

從圖7還可以發(fā)現(xiàn)，電堆的溫度梯度在三個(gè)不同的區(qū)域分布特征不同。根據(jù)能量守恒定律，在各個(gè)物理區(qū)域流入和流出的能量數(shù)量上應(yīng)該保持一致。在保溫材料區(qū)域，由于保溫材料的導(dǎo)熱系數(shù)很低，為了達(dá)到同樣的熱流量使得保溫材料內(nèi)外兩側(cè)的溫差最高(溫度梯度約15℃)，使保溫材料起到了很好的保溫作用，使空氣層最外層的溫度提高到了－5℃。空氣的導(dǎo)熱系數(shù)略高于保溫材料，所以在圖7中空氣層的溫度梯度約為5℃?？諝鈱映洚?dāng)了第二層保溫材料的作用，使燃料電池最外層的溫度提高到了0℃。燃料電池內(nèi)部石墨板的導(dǎo)熱系數(shù)最高，所以在燃料電池內(nèi)部溫差最小(約2℃)。

圖7 －20℃環(huán)境20 mm聚苯乙烯保溫至26.3 h電堆溫度分布圖

圖8是用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃環(huán)境中將電堆保溫至26.3 h時(shí)等溫線和熱流分布圖。從圖8可以看出，每條等溫線的溫差約為1℃，在保溫材料層等溫線密度最高，說明此區(qū)域溫度梯度最大。這一結(jié)論和圖7的結(jié)論相吻合，在空氣層區(qū)域等溫線分布也比較密集。而在導(dǎo)熱良好的電堆內(nèi)部，幾乎沒有等溫線分布，說明電堆內(nèi)部的溫差小于3℃。圖8中箭頭的大小代表熱流量的密度，從箭頭的分布中可以發(fā)現(xiàn)熱流在電堆的四個(gè)面均勻分布。

圖8 －20℃環(huán)境中保溫至26.3 h后等溫線和熱流分布圖

從圖9和圖10中可以看出，在－10℃的環(huán)境中使用20 mm厚的VIP可以讓電堆從80℃降低到0℃所用的時(shí)間維持到45 h[4-8]，此時(shí)間接近2天。在－10℃的環(huán)境中使用保溫效果較差的聚苯乙烯和橡塑泡沫也能讓電堆從80℃降低到0℃所用的時(shí)間超過24 h。這說明在－10℃的環(huán)境中，使用20 mm厚度的普通保溫材料，燃料電池汽車停機(jī)一天以后還可以正常起動(dòng)。即使在最惡劣的－20℃的環(huán)境中，用20 mm厚的聚乙烯和VIP作為保溫材料，使電堆溫度維持在0℃以上的時(shí)間分別達(dá)到26.3和34.8 h。一般作為上下班使用的交通工具，燃料電池汽車起動(dòng)的時(shí)間間隔一般不會(huì)超過24 h，因此這樣的保溫效果可滿足在－10和－20℃環(huán)境下燃料電池汽車上下班順利起動(dòng)并正常運(yùn)行的工作需求。

圖9 －10℃環(huán)境溫度不同保溫材料保溫時(shí)間對比圖

圖10 －20℃環(huán)境溫度不同保溫材料保溫時(shí)間對比圖

3 結(jié)論

(1)電堆未采取保溫措施時(shí)，在－20、－10和15℃的環(huán)境溫度下，從80℃降低到0℃所用的時(shí)間分別為3.0、4.0和8 h。電堆內(nèi)部的初始溫差約10℃，降溫結(jié)束時(shí)其內(nèi)部溫差約為5℃。

(2)用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃環(huán)境中對電堆進(jìn)行保溫，電堆從80℃降低到0℃需要26.3 h，電堆內(nèi)部溫差約為2℃，熱流在電堆的四個(gè)面均勻分布。

(3)用20 mm厚的橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP在－10℃環(huán)境中對電堆進(jìn)行保溫，電堆從80℃降低到0℃所用時(shí)間超過24 h，而VIP則達(dá)到45 h；對于聚苯乙烯和VIP，在－20℃環(huán)境中，電堆從80℃降低到0℃分別需要26.3和34.8 h，可滿足在－10和－20℃環(huán)境下燃料電池汽車上下班順利起動(dòng)并正常運(yùn)行的工作需求。

[1]李友才，許思傳，楊宗田.不同參數(shù)對PEMFC電堆低溫起動(dòng)影響的仿真研究[J].電源技術(shù)，2014，38(9)：1657-1659.

[2]李友才，楊宗田，吳心平.質(zhì)子交換膜燃料電池低溫起動(dòng)方法的仿真研究[J].電源技術(shù)，2014，38(5)：838-840.

[3]李友才，許思傳，楊志剛.燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)低溫起動(dòng)試驗(yàn)研究[J].汽車工程，2014，36(12)：833-836.

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

[5]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.

[6]王軍，許思傳，李友才，等.車用質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)研究進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2010，34(1)：88-91.

[7]王軍，許思傳，李友才.基于多物理場耦合模型的車用PEMFC仿真研究[J].電源技術(shù)，2010，34(3)：261-264.

[8]李友才，許思傳，楊志剛，等.PEMFC冷起動(dòng)仿真模型發(fā)展現(xiàn)狀及進(jìn)展[J].電源技術(shù)，2009，33(4)：316-319.

Simulation study of heat insulation on automobile proton exchange membrane

A simplified simulation model of the finite element for the 10 kW fuel cell stack was built.The stack without heat preservation measures spent 3.0,4.0,and 8.0 h from 80℃to 0℃in the climate chamber of－20℃,－10℃and 15℃,respectively.Heat insulation time of the stack from 80℃to 0℃required 26.3 h when the polystyrene of 20 millimeters was used as heat insulator.The temperature difference of the stack interior was about 2℃.Heat insulation time of the stack could reach 45 h in the ambient condition of－20℃when the vacuum insulation plate of 20 millimeters was used as heat insulator.Therefore,it met the commuting demand of the winter for the fuel cell automobile when the polystyrene or the vacuum insulation plate of 20 millimeters was used as heat insulator for the stack of fuel cell engine.

proton exchange membrane fuel cell;cold-start;heat insulation;vacuum insulation plate

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0580-03

2015-08-14

李友才(1978—)，男，河南省人，博士，主要研究方向?yàn)樾履茉磁c新動(dòng)力。