質(zhì)子交換膜燃料電池汽車冷起動性能的研究

周怡博，王 菊，于 丹

(1.中國汽車技術(shù)研究中心汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究所，北京 100070； 2.天津大學，內(nèi)燃機燃燒學國家重點實驗室，天津 300072)

前言

質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell, PEMFC)由于具有功率密度高、起動快和對環(huán)境友好等優(yōu)點，被廣泛認為是未來最有希望能夠為汽車提供清潔能源的轉(zhuǎn)換裝置。然而，燃料電池汽車在0℃以下起動(冷起動)時其內(nèi)部的液態(tài)水就會結(jié)冰，從而阻礙反應(yīng)氣體傳輸，甚至破壞內(nèi)部結(jié)構(gòu)。因此，燃料電池汽車的冷起動問題是其商業(yè)化過程中需要解決的一個非常重要的技術(shù)問題。

近年來，針對PEMFC冷起動的研究逐漸開展起來，其中實驗方面的研究主要關(guān)注冷起動過程中單電池的電壓和電流密度的變化[1-2],電池整體性能的衰減[3]和結(jié)冰過程的可視化研究[4]。也常有采用多維多相流的數(shù)值模擬來研究單電池內(nèi)部物質(zhì)傳輸過程中更多的細節(jié)問題[5-6]。事實上，為了能有足夠的動力來驅(qū)動汽車，通常情況下是將多個單電池組裝在一起形成燃料電池堆，這使冷起動的過程更加復(fù)雜。

本文中通過建立一維的燃料電池電堆冷起動模型，對燃料電池電堆的冷起動過程進行研究。研究中通過改變冷起動控制方法，合理有效地提高燃料電池電堆在-20℃時的冷起動性能，并分析了不同單電池之間的結(jié)冰和溫度分布情況。

1 模型描述

PEMFC工作原理如圖1所示。在PEMFC的運行過程中，陰陽兩極都會有液態(tài)水存在。當電池處于0℃以下的環(huán)境中時，電池中的液態(tài)水就會結(jié)冰而阻礙反應(yīng)氣體的傳輸。

本模型充分考慮了液態(tài)水和冰在氣體擴散層(gas diffusion layer, GDL)、催化層(catalyst layer, CL)和質(zhì)子交換膜中的傳輸過程，其中有關(guān)的守恒方程[5]如下。

液態(tài)水的守恒方程

(1)

冰的守恒方程

(2)

質(zhì)子交換膜中冰的守恒方程

(3)

質(zhì)子交換膜中水的守恒方程

(4)

式中：ρ為各物質(zhì)的密度，kg·m-3；s為體積分數(shù)；ε為孔隙率；EW為膜的化學當量，kg·kmol-1；ω為CL中離子聚合物的體積分數(shù)；λ為離子聚合物的水含量；D為質(zhì)量擴散率，m2·s-1。模型中水的相變過程是在方程的源相中體現(xiàn)出來的。此外，模型中的能量傳輸方程為

(5)

式中：Cp為物質(zhì)的比熱容，J·kg-1·K-1；T為溫度，K；k為導(dǎo)熱系數(shù)，W·m-1·K-1。由于對流傳熱在本模型中的數(shù)值較低，所以方程中忽略了對流傳熱的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬與實驗結(jié)果對比

為更好地驗證本研究中所使用模型的準確性，模型中參數(shù)的設(shè)置與文獻[7]中的實驗條件相同，并在相同情況下對比了-20℃時不同電流密度i下的冷起動過程，對比結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，模擬結(jié)果與實驗結(jié)果基本相同，進一步驗證了模型的準確性。

2.2 外部加熱功率均勻分布的情況

通過4種不同算例對包含有50個單電池的電堆冷起動性能進行研究，其中外部加熱功率均為200W。首先，在算例1中，200W的外部加熱功率均勻施加在50個單電池中，外部加熱原理圖如圖3(a)所示，圖3(b)為電堆內(nèi)每一個單電池在不同時間冰的體積分數(shù)的分布情況。從圖中可以看出，隨著時間的不斷增加，電池內(nèi)部冰的含量逐漸增加，當時間達到25s時，幾乎所有單電池內(nèi)部冰的體積分數(shù)都達到了1。這說明盡管利用外部加熱功率給電堆進行了輔助加熱，但仍出現(xiàn)了電堆冷起動失敗的情況。從理論上說，利用外部加熱可以在一定程度上延緩冷起動過程中冰的形成速度，并使冷起動成功，但實際情況并非如此。由此看來，如果想通過均勻加熱的方式使冷起動成功，還須加大外部加熱功率，這必然會增加燃料電池汽車的整車制造成本和功率消耗。因此，利用合理有效的加熱方法，使PEMFC電堆在較小的外部加熱功率下冷起動成功的研究非常必要。

2.3 外部加熱功率在電堆兩端的情況

在算例2中，外部加熱功率只被施加在電堆兩端的兩個單電池上，外部加熱原理圖如圖4(a)所示。圖4(b)為電堆中不同位置的單電池電壓隨時間的變化情況。從圖中可以看出：在電池運行的前25s中，位于電堆兩端和中間的單電池電壓隨著時間的增加而逐漸增加，這是因為電池內(nèi)部的液態(tài)水還沒有完全轉(zhuǎn)化成冰，電化學反應(yīng)仍然在正常進行；當時間達到25s時，電堆中部的第25個電池的電壓突然下降為0，說明這個電池內(nèi)部已經(jīng)完全被冰覆蓋并停止了工作，而位于電堆兩端的電池則由于外部加熱功率的作用仍然保持正常工作。圖4(c)為電池內(nèi)部冰的體積分數(shù)隨時間的變化情況。由圖可見：在電池開始運行的前10s，所有單電池冰的體積分數(shù)基本相同，但當運行時間達到50s時，電堆中部大部分單電池冰的體積分數(shù)基本達到了1，而兩端的4個電池在外部加熱功率的作用下，冰的體積分數(shù)幾乎為0，即這4個電池仍然保持著正常工作；隨著時間的增加，當運行時間達到200s時，正常工作的電池已達到了12個。圖4(d)為溫度分布，可以看出，當電堆兩端的電池溫度達到50℃時，電堆中部的電池仍然處于休眠狀態(tài)，這在一定程度上反映出由于電堆中電池數(shù)目太多，使電堆兩端正常工作的電池所產(chǎn)生的熱量沒有得到充分的利用。

2.4 外部加熱功率在電堆中部的情況

在算例3中，外部加熱功率只被施加在了電堆最中間的一個電池上，結(jié)果如圖5所示。從圖5(a)中可以看出，位于電堆最中間的電池內(nèi)部的冰的體積分數(shù)最先開始逐漸減小，并且在相同的時間內(nèi)，算例3中冰體積分數(shù)為0的單電池數(shù)量要明顯高于算例2中的數(shù)量，這說明在這種情況下，電堆內(nèi)部正常工作的單電池的熱量可以得到更合理有效的利用。即在相同的外部加熱功率下，算例3中的加熱方式要明顯優(yōu)于算例2。此外，從圖5(b)中可以更加清晰的看到，在電池運行的開始階段，隨著時間的增加，所有電池內(nèi)部冰的體積分數(shù)是逐漸增加的，但在外部加熱功率和正常工作的電池產(chǎn)生熱量的作用下，與其相鄰的電池內(nèi)部的冰逐漸被融化，并重新恢復(fù)了正常工作。

最后，在算例4中，外部加熱功率被平均施加在電堆中部的5個電池上。電池中冰的體積分數(shù)和溫度的分布情況如圖6所示。從圖中可以看出：在相同時間內(nèi)，恢復(fù)工作的單電池數(shù)量明顯增加，并達到17個，且電堆內(nèi)部各個電池的分布也更加均勻。說明算例4的加熱方式最為高效、合理，使電堆的冷起動功能達到最佳。

3 結(jié)論

本文中建立了一個包含有50個單電池的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模型，對燃料電池汽車的冷起動性能進行研究。研究結(jié)果表明，合理的外部加熱方式可使加熱功率和電堆內(nèi)部電池反應(yīng)產(chǎn)生的熱量更充分有效地利用，電堆冷起動過程中恢復(fù)工作的單電池數(shù)目更多，冷起動的時間更短，溫度分布更均勻，最終合理有效地提高電堆的冷起動性能，使燃料電池汽車可在-20℃時成功起動。

[1] Tajiri Kazuya, Tabuchi Yuichiro, Wang Chaoyang. Isothermal Cold Start of Polymer Electrolyte Fuel Cells[J]. Journal of the Electrochemical Society,2007,154(2):B147-B152.

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[3] Luo Maji, Huang Chengyong, Liu Wei, et al. Degradation Behaviors of Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cell Under Freeze/thaw Cycles[J]. International Journal of Hydrogen Energy,2010,35(7):2986-2993.

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[5] Jiao Kui, Li Xianguo. Three-dimensional Multiphase Modeling of Cold Start Processes in Polymer Electrolyte Membrane Fuel Cells[J]. Electrochimica Acta,2009,54(27):6876-6891.

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