李友才，楊宗田，吳心平，郟國中

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

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

質子交換膜燃料電池低溫起動方法的仿真研究

李友才，楊宗田，吳心平，郟國中

（河南工業(yè)大學機電工程學院，河南 鄭州 450007）

在一定假設條件下，將每片單電池分成10層，每層看成一個集總參數(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。采用不同的起動方法使電堆達到低溫起動條件，對電堆的低溫起動特性進行仿真分析，得到不同低溫起動方法的電堆內部溫度分布規(guī)律和其自身起動的所需時間，為燃料電池電堆低溫起動的商業(yè)化提供技術支持。

PEMFC；雙極板加熱；低溫起動；仿真分析

質子交換膜燃料電池（PEMFC）具有低噪音、無污染、零排放、高效率及室溫可快速起動等優(yōu)點，是解決環(huán)境污染和能源枯竭問題的重要汽車動力源。由于PEMFC內有殘存的水存在，當環(huán)境溫度低于0℃時，這些殘存的水就會變成冰，從而造成電堆的陰陽極流道阻塞，由于水結成冰其體積增大約11%，會對燃料電池的壽命和冷起動特性造成嚴重的影響。因此，低溫環(huán)境下起動電堆前，需采取一定的低溫起動措施來消除殘存冰對PEMFC的不利影響[1-2]。

本文通過建立由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，對電堆停機吹掃、電堆進氣加熱、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方法進行深入仿真研究。

1 建立燃料電池電堆模型

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

單體電池各層總的通用能量方程如式（1）：

假設整個電堆的初始溫度為－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 仿真計算與分析

2.1 電堆停機吹掃

電堆停機前數(shù)分鐘由控制器發(fā)出信號，對電堆停止加濕。關機后，由控制器控制風機/壓縮機以一定轉速繼續(xù)運行88 s[4]，對電堆陰極流道進行吹掃。此時壓縮機出口空氣的質量流量為0.005 kg/s。假設電堆冷卻液流道內無殘存的冷卻液，對電堆停機后吹掃與不吹掃條件下進行升溫仿真，仿真結果如圖2所示。從圖2可以看出，對電堆進行吹掃與不吹掃的條件下，電堆陰極催化層溫度達到觸發(fā)溫度所需要的時間分別為89.7和181.9 s。電堆經過吹掃其自身內部殘存的水很少，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到觸發(fā)溫度的時間較短。而電堆不經過吹掃其自身內部殘存的水結成冰堵塞陰陽極流道和擴散層，假設每片電池的陰極氣體擴散層有50%的空隙被冰堵塞，即每片電池陰極擴散層和陰極流道內有4.6 g冰，這些初始溫度為－20℃的冰在61 s時就使電堆每片電池陰極催化層的平均溫度達到0℃。但由于冰的熔解熱很大，需要77 s的時間才能將0℃的冰熔解完畢，然后再經過43.9 s才能使電堆最冷電池陰極催化層的溫度達到觸發(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，從而延長電堆最冷電池陰極催化層達到觸發(fā)溫度的時間。因此在低于冰點的環(huán)境下，在電堆停機后，對電堆吹掃一段時間是十分有必要的。

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間變化曲線

2.2 電堆進氣加熱

電堆進氣加熱即通過動力電池或外接電源，在電堆不工作的條件，直接驅動風機/壓縮機，通過其對空氣進行絕熱壓縮可使出口的溫度達到30～80℃，風機/壓縮機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管路送入電堆陰極，通過空氣與電堆陰極流道表面進行對流換熱來加熱電堆自身。設定環(huán)境和電堆的溫度均為－20℃，不同壓比的風機/壓縮機出口的溫度分別為30、60和80℃，并假設電堆內沒有殘存的冷卻液和殘存的冰，其所對應的仿真結果如圖4所示。從圖4可以看出，進入電堆陰極入口的溫度不同，電堆最冷電池陰極催化層達到觸發(fā)溫度所需要的時間也不同。與電堆陰極入口溫度相對應的達到觸發(fā)溫度所需要的時間分別為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熱系數(shù)相對較大所致。電堆左右兩側電池各層溫度分布不對稱，主要由于熱空氣是由電堆陰極入口進入電堆的，熱空氣首先與電堆的陰極流道進行對流換熱，然后再將熱量向電池各層傳遞，所以電堆陰極側溫度較高。通過風機/壓縮機對低溫下的環(huán)境空氣進行絕熱壓縮來加熱電堆同樣是一種快速可行的低溫起動方法，且該方法不需要對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)增加額外的硬件設備。

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）的過程中，將薄電加熱絲置于電堆左右兩側的端板內。同樣在加工雙極板時，每隔一片電池或幾片電池將薄電加熱絲置于雙極板陰陽極流道內，其示意圖如圖5所示。在低溫起動前，由控制器發(fā)出指令接通動力電池對電堆進行加熱。

圖5 電堆端板和雙極板加熱布置示意圖

2.3.1 端板加熱

假設電堆冷卻液流道內無殘存的冷卻液，并且電堆陰陽極流道內沒有殘存的冰。分別向電堆的兩個端板加入50、100、200W的熱源對其進行加熱，同時向每片電池的質子交換膜內加入40W的熱源，其仿真結果如圖6所示。從圖6可以看出，分別經過44.7、44.5和44.2 s的時間都使電堆最冷電池陰極催化層達到觸發(fā)溫度0℃，且電堆中間電池最高溫度分別達到了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緊靠電堆兩側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到觸發(fā)溫度0℃的時間。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，但是對于快速低溫起動來說加熱端板并不是一種經濟、實用的冷起動方法。

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分別加入20和50W的熱源，假設電堆冷卻液流道內無殘存的冷卻液，并且電堆陰陽極流道內沒有殘存的冰，其仿真結果如圖7所示。從圖7可以看出，分別經過101.1、43.65 s的時間都使電堆最冷電池陰極催化層達到觸發(fā)溫度0℃，且電堆中間電池最高溫度分別達到了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℃，而不像質子交換膜加熱時電堆中間電池各層的溫差最大可達1.3℃。這主要是因為雙極板的材料是石墨，石墨的導熱系數(shù)比質子交換膜的導熱系數(shù)大很多。對電堆的低溫起動來說，選用合適的加熱功率對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電加熱絲，在燃料電池發(fā)動機起動前，通過起動開關將起動信號傳給ECU，ECU將采集電堆溫度信號并作出判斷，若電堆處于冷起動狀態(tài)，則ECU發(fā)出指令接通電源開關給MEA或膜表面的薄電加熱絲供電，對電堆進行加熱，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的熱源對其進行加熱，假設電堆冷卻液流道內無殘存的冷卻液，并且電堆陰陽極流道內沒有殘存的冰，仿真結果如圖8所示。從圖8可以看出，電堆最冷電池陰極催化層達到觸發(fā)溫度0℃所需要的時間分別為89.7和35.7 s，電堆中間電池的最高溫度分別達到15.7和16.5℃。因此，對電堆低溫起動來說，選用合適的加熱功率對MEA或膜加熱是一種快捷、有效的方法。通過在MEA或膜表面布置一定功率的薄電加熱絲，可以成功實現(xiàn)燃料電池電堆的低溫起動。

圖8 MEA加熱電堆電池各層溫度分布

2.5 電堆自加熱

假設電堆陰陽極流道內沒有殘存的冰，電堆加載電流密度為1.0 A/cm2，不考慮加載過程中電化學反應所生成的冰及冰對電堆單電池陰陽極流道堵塞所造成的影響，仿真結果如圖9所示。從圖9可以看出，電堆在電流密度為1.0 A/cm2時，經過47.6 s的自加熱使電堆最冷電池陰極催化層的溫度達到觸發(fā)溫度0℃，電堆中間第10片電池最高溫度達到8.3℃，滿足了起動條件。但要使電堆所有單電池各層的溫度都達到觸發(fā)溫度0℃則需要74.4 s，電堆中間第10片電池最高溫度達到19.9℃。由于對電堆加載的電流大，單位時間內產生的熱量多，此時散到空氣中的熱量可以忽略不計，因此，忽略結冰的影響，對電堆加載大電流可以在短時間內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的條件。

圖9 自加熱電堆各層溫度分布

電堆在起動終了(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稱，陰極催化層的溫度最高，達到8.3℃，這主要由單電池各層產生的熱量不同所致，電化學反應發(fā)生在陰極，產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)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到0℃或以上所需的時間縮短了26.8 s。實際上，沒有必要使電堆單電池各層的溫度都達到0℃以上，在一個由幾百片單電池組成的電堆中，緊靠端板兩側的兩片電池各層溫度低于0℃，對整個電堆起動來說根本不受影響。

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，但同時伴隨有較多的水生成，在電堆自身的溫度達到0℃之前，反應所生成的水逐漸結成冰堵塞電池的陰陽極流道，阻止氫氣和氧氣的繼續(xù)反應，若在電堆自身溫度達到0℃之前，電堆電池的陰陽極流道都被生成的冰堵塞了，則電堆會立刻停止工作。針對不同的電堆，單電池存在一個臨界電壓和與之相對應的合適電流，在化學反應生成的水結成冰完全堵塞電堆陰陽極流道之前使電堆溫度達到0℃以上。因此在低溫環(huán)境下對電堆加載多大電流進行自加熱，這是由不同規(guī)格的電堆所決定的。

3 結論

（1）電堆經過吹掃其內部殘存的水很少，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到觸發(fā)溫度的時間較短。因此在低于冰點的環(huán)境下，在電堆停機后，對其吹掃一段時間是十分有必要的。

（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到觸發(fā)溫度所需要的時間也不同。電堆中間電池各層的溫差很小。電堆左右兩側電堆電池各層溫度分布不對稱。通過進氣加熱電堆是一種快速、可行的低溫起動方法，且該方法不需要對燃料電池發(fā)動機系統(tǒng)增加額外的硬件設備。

（3）不同加熱功率對緊靠電堆兩側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到觸發(fā)溫度0℃的時間，因此加熱端板并不是一種經濟、實用的低溫起動方法。

（4）對電堆進行雙極板加熱，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MEA或膜加熱，電堆中間電池各層的溫差最大可達1.3℃。這是由于雙極板的材料（石墨）導熱系數(shù)比MEA或膜的導熱系數(shù)大很多所致。對電堆加載大電流可以在短時間內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的條件，但是需要考慮在加載過程中反應所生成的水逐漸結成冰堵塞電池的陰陽極流道和不同規(guī)格電堆的影響。

[1]李友才，許思傳，楊志剛，等.車用PEMFC保溫試驗研究[J].電源技術，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，工學博士，主要研究方向為新能源與新動力。系統(tǒng)，具體模型見文獻[2]。