車用質子交換膜燃料電池電堆保溫仿真研究

李友才

(河南工業大學機電工程學院，河南鄭州450007)

車用質子交換膜燃料電池電堆保溫仿真研究

李友才

(河南工業大學機電工程學院，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，在－20、－10和15℃的環境溫度下，電堆從80℃降低到0℃所用的時間分別為3.0、4.0和8.0 h；用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃環境中對電堆進行保溫，電堆從80℃降低到0℃需要26.3 h，電堆內部溫差約為2℃，熱流在電堆的四個面均勻分布；用20 mm厚的VIP(真空絕緣板)在－20℃環境中對電堆進行保溫，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℃的環境下對燃料電池發動機的電堆進行保溫，可滿足燃料電池汽車冬季上下班運行的需求。

質子交換膜燃料電池；低溫起動；保溫材料；真空絕緣板

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有低噪音、無污染、高效率等優點，它是解決環境污染和能源枯竭問題的首選汽車動力源。當環境溫度低于0℃時，PEMFC殘存的水就會結成冰，造成燃料電池的陰陽極流道阻塞。同時，由于水結成冰其體積增大約11%，對燃料電池的壽命和其低溫起動特性造成十分不利的影響。因此，通過包裹一定數量的保溫材料來達到延長燃料電池發動機冷卻時間的目的，從而避免燃料電池電堆自身的溫度降到0℃以下，避免電堆內部結冰對燃料電池發動機起動造成的不利影響[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復雜的多流道三維模型，一片電池內有陰陽極流道和冷卻液流道。考慮到計算機的計算能力，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正方形，其內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

為了使計算機運算能力滿足10 kW電堆溫度分析的需求，運用熱電比擬理論，把一個由復雜結構組成的雙極板簡化為具有等效熱阻率的長方體薄板。經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的溫度(80℃)，環境溫度根據不同的環境條件對比分別設置為15、－10、－20℃。

圖3為不同時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，初始時刻電堆表面和環境的溫差較大，從而導致電堆和環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，電堆平均溫度從工作溫度80℃降低到0℃所用的時間分別為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中橫坐標的始點對應燃料電池電堆最左側的端板，橫坐標的終點對應燃料電池電堆最右側的端板。從圖中可以看出在不同時刻圖5和圖6的溫度曲線對稱分布。

圖5 －20℃環境中無保溫措施時電堆溫度變化圖

圖6 －20℃環境中10 mm聚苯乙烯保溫電堆溫度變化圖

在－20℃的環境中，無保溫措施時電堆降溫到接近0℃所用的時間為3.0 h。使用10 mm的聚苯乙烯材料保溫以后，降溫時間達到17.9 h。從兩圖中還可以發現，圖6比圖5中的溫度曲線平坦，說明電堆在保溫條件下內部溫度分布更加均勻，溫差較小。對比兩圖中不同時刻的溫度曲線可以發現，初始時刻無論是否采取了保溫措施，電堆內部的溫差范圍都比降溫結束時刻內部溫差范圍大。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熱力學參數如表1所示。

表1 各種材料的主要熱力學參數

從圖7可以發現，添加了保溫材料以后，電堆的溫度分布更加均勻，電堆內部的熱量通過保溫材料的四個表面均勻傳遞到環境中。而沒有采取保溫措施時，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的電池(圖3)，熱流也是主要通過左右兩側電池傳遞到環境中。

從圖7還可以發現，電堆的溫度梯度在三個不同的區域分布特征不同。根據能量守恒定律，在各個物理區域流入和流出的能量數量上應該保持一致。在保溫材料區域，由于保溫材料的導熱系數很低，為了達到同樣的熱流量使得保溫材料內外兩側的溫差最高(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℃?？諝獾膶嵯禂德愿哂诒夭牧?，所以在圖7中空氣層的溫度梯度約為5℃。空氣層充當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℃。燃料電池內部石墨板的導熱系數最高，所以在燃料電池內部溫差最小(約2℃)。

圖7 －20℃環境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℃環境中將電堆保溫至26.3 h時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，說明此區域溫度梯度最大。這一結論和圖7的結論相吻合，在空氣層區域等溫線分布也比較密集。而在導熱良好的電堆內部，幾乎沒有等溫線分布，說明電堆內部的溫差小于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現熱流在電堆的四個面均勻分布。

圖8 －20℃環境中保溫至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℃的環境中使用20 mm厚的VIP可以讓電堆從80℃降低到0℃所用的時間維持到45 h[4-8]，此時間接近2天。在－10℃的環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℃所用的時間超過24 h。這說明在－10℃的環境中，使用20 mm厚度的普通保溫材料，燃料電池汽車停機一天以后還可以正常起動。即使在最惡劣的－20℃的環境中，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℃以上的時間分別達到26.3和34.8 h。一般作為上下班使用的交通工具，燃料電池汽車起動的時間間隔一般不會超過24 h，因此這樣的保溫效果可滿足在－10和－20℃環境下燃料電池汽車上下班順利起動并正常運行的工作需求。

圖9 －10℃環境溫度不同保溫材料保溫時間對比圖

圖10 －20℃環境溫度不同保溫材料保溫時間對比圖

3 結論

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

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

(3)用20 mm厚的橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP在－10℃環境中對電堆進行保溫，電堆從80℃降低到0℃所用時間超過24 h，而VIP則達到45 h；對于聚苯乙烯和VIP，在－20℃環境中，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℃環境下燃料電池汽車上下班順利起動并正常運行的工作需求。

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

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

[3]李友才，許思傳，楊志剛.燃料電池發動機低溫起動試驗研究[J].汽車工程，2014，36(12)：833-836.

[4]李友才，許思傳，楊志剛，等.車用PEMFC保溫試驗研究[J].電源技術，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.車用質子交換膜燃料電池系統低溫起動研究進展[J].電源技術，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，2010，34(3)：261-264.

[8]李友才，許思傳，楊志剛，等.PEMFC冷起動仿真模型發展現狀及進展[J].電源技術，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，主要研究方向為新能源與新動力。