質子交換膜燃料電池冷啟動仿真模擬綜述

姚國富

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質子交換膜燃料電池冷啟動仿真模擬綜述

姚國富

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文綜述了質子交換膜燃料電池仿真和模擬，并對其應用做了介紹和分析。

質子交換膜燃料電池 仿真模擬 冷啟動

0 前言

隨著全球溫室效應的加劇，國際逐漸加大對船舶運輸業碳排放的控制，并逐步征收碳排放稅，這對我國航運業、造船業及鋼材等間接相關行業均造成較大影響。因此，開發替代傳統的船舶動力系統的新型船舶推進系統日益迫切。

燃料電池是通過將燃料（如：氫、天然氣、甲烷、甲醇等）和空氣中的氧氣發生電化學反應，直接將反應物中的化學能轉化為電能的發電裝置，可作為新一代船舶船舶推進發電系統。燃料電池發電過程不排放二氧化碳，及NOx、SOx等有害氣體，是一種真正的綠色船舶電力推進系統[1]，完全符合日益規范化的環保要求，。挪威、德國、荷蘭等歐洲造船強國早在2000年代初即開始船用燃料電池的研發，目前已經開發了“Alsterwasser”和“H2 Nemo”燃料電池客船。

目前，廣泛應用的燃料電池新型船舶電力推進系統一般采用船用燃料電池系統作為主電源，以蓄電池組作為輔助供電源。燃料電池系統冷啟動和故障狀態時，蓄電池組起到輔助或應急供電作用，當燃料電池正常運行后，蓄電池組處于浮充電狀態。因此，燃料電池冷啟動性能和穩定性是整個電力推進系統至關重要的兩個因素。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）冷啟動是一個動態非穩定過程，一方面系統升溫過程需要匹配系統整體運行狀態，另一方面燃料電池內部循環水流道或膜電極中殘余的水在環境溫度低于0℃時，殘余的水結冰勢必造成對電池冷起動特性、使用壽命的嚴重的影響。因此，有必要在燃料電池冷啟動過程通過一些技術手段，減輕或消除殘存水結冰對燃料電池的不良影響。主要技術手段包括：1）氮氣吹掃，在燃料電池停止工作后，用干燥的氮氣對燃料電池進行吹掃，盡可能排除內部殘余水，該方法需要攜帶大量氮氣；2）通熱循環液加熱，在燃料電池冷起動前，先開啟水泵，用熱循環液給燃料電池內部進行升溫；3）質子交換膜和端板加熱，向質子交換膜內和端板內加入一定功率的內部熱源，以此加熱燃料電池；4）保溫，燃料電池停止工作后，使其保持在0℃以上，以此保證其內部殘存的水不結冰；5）通熱反應氣，通過加熱進人陰陽極的反應氣，將熱量帶入燃料電池內；6）氫氧反應加熱，向燃料電池陰極通入一定量氫氣，通過氫氧反應產生的熱量來加熱電堆[2-5]。

對于不同情況，可選擇不同的冷啟動方式。此外，燃料電池設計與開發也應該根據其工作環境、冷啟動方式的選擇，為縮短冷啟動時間、提高系統響應速度，同時提高系統能量利用率、使用壽命、具體操作參數等，了應首先解燃料電池冷啟動運行機理、優化電池結構，從而建立控制策略。通過仿真模擬研究，能夠降低研究風險，同時更深入、細致了解燃料電池冷啟動過程中內部的特性。因此，在燃料電池的系統仿真模擬中，冷啟動過程是重要關鍵點之一。

1 模型

結合冷啟動方式，文獻報道了各種冷啟動模型。1）集成總參數模型：Amphlett模型、Gurski模型和DeFrancesco模型，這些模型均在的問題是沒有考慮電堆內部0℃以下的水、熱管理，因而難以確定燃料電池電堆內部的溫度分布形態，只能估算其內部是否達到水熱平衡。2）分層能量方程模型，主要包括：Manish Khandelwal模型、Yuyao Shan模型、Meena Sundaresan模型等，相比集成總參數模型而言，此類模型引入更多模型參數，能夠詳細描述燃料電池電堆各單電池每一層的溫度分布。其中，Manish Khandelwal 和 Meena Sundaresan模型針對電堆內部溫度零下的水、熱管理及行為狀態進行了表達，此外，模型還確定了反應氣、冷卻液溫度，以及端板、雙極板加熱等因素對電堆冷啟動特性的影響規律。但是，這類模型也存在自身的缺陷，如：Meena Sundaresan模型和YuyaoShan模型只能描述單層電池的溫度值，Manish Khandelwal模型只能確定各個單電池層在一個方向上的溫度分布規律，對于水平垂直、豎直垂直兩個方向溫度分布的描述無能為力。

綜合而言，當前建立燃料電池電堆二維或三維冷啟動溫度分布解析模型尤為重要，直接關系到電堆冷啟動過程溫度特性研究，對電堆內部流程設計有重要意義。因此，二維或三維低溫模型是今后學者的探索研究重要方向。

基于目前實際情況，在實際燃料電池設計工作中，通常可以根據自己的研究目的，選擇合適的模型，多輪次迭代設計，從而完成整體形態表達。

2 案例分析

2.1 質子交換膜加熱冷啟動

本案利用內熱源方式對燃料電池內的質子交換膜進行加熱，排除冷卻液、氣體等加熱方式。通過對電堆最冷和中間電池陰極催化層作為觸發點進行加熱，通過熱傳遞仿真模擬，分別得到圖1中曲線1和2所示溫度分布，分析可知，采用最冷觸發加熱后，經過132.79 s，電堆從－20℃升溫到0℃；而采用中間觸發加熱方式，電堆僅需要42.35 s。即可實現從－20℃升溫到0℃。

從圖1還可看出，最冷觸發加熱方式的曲線1的最高溫度為43.9℃，而中間觸發加熱方式曲線2的最高溫度為2℃，并且中間觸發加熱方式達到觸發溫度時所需時間僅是最冷觸發加熱方式耗時的1/3。

因此，采用電堆中間電池陰極催化層觸發加熱方式，電堆冷啟動響應更快。但是，仿真結果好表明，燃料電池電堆端板側的各層電池的溫度仍低于0℃，此狀態對電堆的冷啟動長期運行產生不利影響。通過質子交換膜進行加熱聯合端板加熱冷啟動，對電堆整體溫度均勻分布將會有顯著改善。

2.2 冷卻液加熱

冷卻液加熱前提條件是液體溫度高于0℃。本案設定冷卻液的溫度是5℃，流量是1.44 m3/h。圖2中曲線1和曲線2分別是用電堆最冷電池和中間電池陰極催化層溫度作為觸發溫度所得到的仿真結果，對比曲線1和曲線2后可知，以最冷電池和中間電池作為觸發，從-20℃加熱到0℃所用時間分別為4.58 s和11.65 s，還可知，以中間電池作為觸發的電堆溫度為0.9℃，比以最冷電池作為觸發的電堆溫度低，這是由于冷卻液單位時間內換熱量大。

相比質子交換膜加熱，冷卻液加熱效率更高，可見用冷卻液加熱電堆是更有效的冷啟動方法。

2.3 端板加熱

端板位于燃料電池電堆兩端，本方案采用兩個端板分別加200 W的內熱源方式。為驗證3.1中質子交換膜聯合端板加熱冷啟動對電堆整體溫度均勻分布改善的設想，本案同時采用了這兩種加熱方式，質子交換膜內加入50 W的內熱源，兩個端板內加入200 W的內熱源。前后兩種方案分別得到圖3曲線1和曲線2，因為電堆單電池層數多大300層，端板加熱方式難以對中間催化層構成影響，電堆中間數個電池溫度低于0℃，可見其內部仍有冰存在。對比圖3和圖1，質子交換膜聯合端板加熱方式，僅耗時109 s燃料電池電堆內所有電池陰極催化層溫度均達到觸發溫度，因此該方案有利于電堆起動。

2.4 氫氣燃燒加熱

氫氣燃燒加熱是電堆冷啟動之前，先向陰極和陽極通入一定量的氫氣和氧氣，兩種氣體將發生電化學反應，并釋放熱量，從而對電堆起到冷啟動加熱的作用。

根據文獻資料，陰陽極通入氫氣和氧氣的量范圍分別是1％～7％ vol 和0.5％～3.5％ vol 。本案采用了體積含量為5％氫氣通人陰極，同時設定兩種氣體反應過程是穩態、絕熱反應。仿真模擬結果如圖4所示，經過124.25 s，燃料電池電堆最冷電池陰極催化層達到觸發溫度，此外，電堆最高溫度為31.9℃。因此，該冷啟動方案可行，但是反應過程控制和溫度分布關系不穩定，存在一定危險性，不便于操作和控制。

3 結束語

本文首先對燃料電池冷啟動多種模型進行了分析對比，并提出未來發展趨勢。在此基礎上，進一步通過一系列冷啟動技術措施和仿真模擬案例分析，得到如下結論：

1）用冷卻液加熱電堆是最有效的方法之一。

2）質子交換膜、端板加熱電堆可能可行的，但是方法和參數需要試驗摸索。

3）氫氣燃燒加熱電堆可行的，但有一定的危險性，不便于操作和控制。

[1] 衣寶廉．燃料電池原理·技術·應用[M]．北京：化學工業出版社，2003．

[2] Amphlett J C，Baumert R M，Mann R F，et al. Performance modeling of the ballard mark IV solid polymer electrolyte fuel cell II Empirical model development．J Electrochemical Soc，1995，l42：9-15．

[3] Khandelwal M，Sungho L，Mench M M．One—dimensional thermal model of cold—start in a polymer electrolyte fuel cell stack．J Power Sources，2007，172：816-830．

[4] Amphlftt J C，Mann R F，Peppley B A， et a1．A model predicting transient responses of proton exchange membrane fuel cells．J Power Sources，1996，61：183-188．

[5] De Francesco M，Arato E．Startup analysis for automotive PEM fuel cell systems．J Power Sources，2002，108：41-52．

Review on Simulation and Model of Cold Start for Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Yao Guofu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064 , China )

TM911

A

1003-4862（2014）07-0063-03

2014-04-02

姚國富（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：化學電源。