宋東方，武照云，李 麗

（1.河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院汽車工程學(xué)院，河南 鄭州 450046；2.河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，河南 鄭州 450001）

1 引言

氫燃料電池正在成為新能源的重要?jiǎng)恿Γ哂辛阄廴竞图託淇斓膬?yōu)點(diǎn)。由于其產(chǎn)物只有水，在冬季或低溫下運(yùn)行時(shí)會(huì)造成結(jié)冰的問(wèn)題，影響電堆的使用，因此如何抑制結(jié)冰成為行業(yè)及國(guó)內(nèi)外學(xué)者研究的熱點(diǎn)。目前，燃料電池客車可以實(shí)現(xiàn)零下10℃直接啟動(dòng)，為了保護(hù)電堆內(nèi)部不被破壞，在低于零下10℃后禁止使用。因此，提高燃料電池低溫啟動(dòng)的能力對(duì)新能源汽車的推廣迫在眉睫。

文獻(xiàn)［1］模擬了冷啟動(dòng)過(guò)程電堆內(nèi)部的結(jié)冰機(jī)理及直至停止運(yùn)行的動(dòng)態(tài)過(guò)程變化。文獻(xiàn)［2-3］建立了電堆冷啟動(dòng)的仿真模型，成功的預(yù)測(cè)了冷啟動(dòng)過(guò)程中失敗的原因及結(jié)冰的動(dòng)態(tài)過(guò)程。文獻(xiàn)［4-5］對(duì)冷啟動(dòng)過(guò)程電堆內(nèi)部的溫度變化情況進(jìn)行了研究，獲得了低溫對(duì)電堆內(nèi)部的熱量分布的影響規(guī)律。文獻(xiàn)［6］采用一種預(yù)熱的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)低溫啟動(dòng)，分析了加熱器的換熱特性。文獻(xiàn)［7］采用大電流極限加載的方法能夠?qū)崿F(xiàn)電堆在無(wú)外部熱源下-10℃啟動(dòng)，但是仍然不能滿足燃料電池客車在冬季的使用要求，至少要在-25℃甚至-30℃下啟動(dòng)才能達(dá)到冬季寒冷天氣下的使用要求。文獻(xiàn)［8］總結(jié)了電堆冷啟動(dòng)過(guò)程內(nèi)部溫度的變化特性，為實(shí)現(xiàn)更低溫度的啟動(dòng)提供了研究方向。綜上，盡管對(duì)電堆冷啟動(dòng)過(guò)程內(nèi)部變化狀態(tài)和失敗的原因的研究已經(jīng)比較成熟，但是對(duì)于預(yù)熱啟動(dòng)方法的研究卻較少，尤其是預(yù)熱時(shí)間和所需功耗的研究甚少。

為了使電堆在低溫下能夠快速啟動(dòng)，借助預(yù)熱系統(tǒng)對(duì)電堆進(jìn)行預(yù)熱，采用Fluent軟件和多孔介質(zhì)模型對(duì)電堆雙極板的流道進(jìn)行整體仿真，研究換熱性能的變化規(guī)律以及溫差場(chǎng)均勻性分布特性，并獲得了不同冷卻液溫度和空氣溫度下的換熱量。最后，通過(guò)在低溫艙試驗(yàn)臺(tái)上測(cè)試了電堆在預(yù)熱和無(wú)外部熱源兩種情況下的冷啟動(dòng)性能，獲得了影響啟動(dòng)成功與否的關(guān)鍵參數(shù)包括換熱量和冷啟動(dòng)時(shí)間的變化規(guī)律。

2 預(yù)熱性能仿真

2.1 冷啟動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)

燃料電池汽車最核心的部分為電堆，它是由很多片燃料電池串聯(lián)而成，具有零污染的優(yōu)點(diǎn)，排放物只有水。但是，在冬季或溫度較低的條件下放置和啟動(dòng)時(shí)生成的水會(huì)結(jié)冰，因此在啟動(dòng)前需要對(duì)電堆進(jìn)行預(yù)熱。預(yù)熱系統(tǒng)，如圖1所示。在發(fā)動(dòng)機(jī)的小循環(huán)回路中安裝一個(gè)電加熱器，需要預(yù)熱時(shí)對(duì)電堆內(nèi)部及吸入的空氣進(jìn)行加熱。但是，由于加熱器會(huì)消耗電量，因此為了節(jié)約能耗，在滿足電堆達(dá)到零度及以上的條件下需要盡可能的減小加熱時(shí)間。

圖1 冷啟動(dòng)預(yù)熱系統(tǒng)Fig.1 Cold Start Preheating System

2.2 計(jì)算模型

電堆內(nèi)部雙極板的結(jié)構(gòu)與散熱器結(jié)構(gòu)相似，空氣和冷卻液均是通過(guò)對(duì)流和傳導(dǎo)作用進(jìn)行換熱，而電堆內(nèi)部空氣側(cè)翅片采用矩形波紋換熱帶，如圖2 所示。采用多孔介質(zhì)簡(jiǎn)化流道的氣流面積，將波紋帶簡(jiǎn)化為矩形計(jì)算域，為便于模擬將管壁簡(jiǎn)化為一個(gè)平面代替，用以模擬耦合傳熱。

圖2 雙極板波紋流道Fig.2 Bipolar Plate Corrugated Flow Channel

電堆內(nèi)部雙極板流道的結(jié)構(gòu)及單片燃料電池用流道的整體仿真模型，如圖3所示。加熱后的冷卻液從上部流進(jìn)進(jìn)水室后被分配到各個(gè)流道中，與各個(gè)部分進(jìn)行熱量的交換后，最后從底部出口室流出?？諝鈩t是由外部垂直穿過(guò)散熱器，與矩形波紋翅片實(shí)現(xiàn)熱量的交換。芯體結(jié)構(gòu)特征參數(shù)，如表1所示。整體仿真模型的多孔介質(zhì)參數(shù)［9-10］，如表2所示。

表1 結(jié)構(gòu)參數(shù)Tab.1 Structure Parameters

表2 多孔介質(zhì)參數(shù)Tab.2 Porous Media Parameters

圖3 CFD仿真模型Fig.3 CFD Simulation Model

計(jì)算模型的網(wǎng)格無(wú)關(guān)性測(cè)試結(jié)果，如圖4所示。在網(wǎng)格數(shù)量達(dá)到160萬(wàn)以后，冷卻液壓降基本維持在2.5kPa，因此可以確定得到了誤差要求，因此選擇160萬(wàn)的網(wǎng)格數(shù)量作為研究的標(biāo)準(zhǔn)［11-12］。

圖4 網(wǎng)格無(wú)關(guān)性Fig.4 Grid Independence

3 CFD仿真結(jié)果分析

冷卻液通過(guò)電堆內(nèi)部后空氣和冷卻液的溫度分布云圖，如圖5所示。冷卻液在單流程散熱器高度方向上的溫度梯度變化是明顯的，與空氣進(jìn)行熱交換后，溫度從上到下降低，溫度分布較均勻。低溫空氣與冷卻液進(jìn)行熱交換后溫度均高于零度，達(dá)到了設(shè)計(jì)的要求，零度以上能夠阻止水的結(jié)冰，保護(hù)電堆。此外，從仿真對(duì)比可以看出，冷卻液和空氣之間的溫差從上到下具有明顯降低的梯度。由于熱流體冷卻液從上到下流動(dòng)，所以在上部空氣和冷卻液溫度差大，換熱效率較高，換熱量大。在下部空氣和冷卻液溫差小，換熱量小。

圖5 預(yù)熱溫度（℃）Fig.5 Pre-Heat Temperature（℃）

單片雙極板流道的換熱量與進(jìn)氣溫度和冷卻液溫度的關(guān)系MAP圖，如圖6所示。冷卻液的溫度越高越大，換熱量越大，并且當(dāng)溫度超過(guò)4℃以后增長(zhǎng)速率逐漸增大。所以，為了減小預(yù)熱的時(shí)間，應(yīng)將冷卻液的溫度加熱到5℃以上。波紋流道的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)于換熱性能的影響率比較，可以看出波紋的長(zhǎng)度影響最大，比重占到了40%；而流道高度的影響最小，僅為17%，如表3所示。因此，在設(shè)計(jì)流道的過(guò)程中應(yīng)盡可能的降低流道的高度，而增加波紋流道的長(zhǎng)度有利于換熱效率的提升。

表3 波紋流道各因子貢獻(xiàn)率Tab.3 Contribution Rate of Corrugated Flow Channel

4 實(shí)驗(yàn)研究

4.1 仿真結(jié)果的驗(yàn)證

為了驗(yàn)證電堆預(yù)熱系統(tǒng)的實(shí)際效果，在低溫艙風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行了電堆冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)研究，如圖7（a）所示。實(shí)驗(yàn)的控制策略，如圖7（b）所示。根據(jù)環(huán)境溫度確定加熱的時(shí)間，根據(jù)加熱時(shí)間確定加熱的電流，直到電堆正常啟動(dòng)成功。

圖7 低溫艙及控制策略Fig.7 Low Temperature Compartment and Control Strategy

基于仿真結(jié)果最終選取了優(yōu)化后的換熱器的結(jié)構(gòu)參數(shù)為：翅片間距為1mm，波幅為1.5mm，高度為1mm，翅片的厚度均為0.1mm。加工了試驗(yàn)樣件進(jìn)行了低溫下的換熱性能的測(cè)試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖8所示。汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)預(yù)熱所需的熱量的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差均低于10%，從而保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的可靠性，通過(guò)仿真得到的最佳的參數(shù)組合可以用于實(shí)際預(yù)熱系統(tǒng)中，縮短啟動(dòng)時(shí)間和預(yù)測(cè)所需的功耗。此外，整個(gè)流道的長(zhǎng)度越大，總換熱量隨之增大；波紋長(zhǎng)度為1.5mm的換熱量均大于長(zhǎng)度為1.0mm的，驗(yàn)證了仿真結(jié)果的可靠性。

圖8 換熱性能的實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.8 Experimental Results of Heat Transfer Performance

4.2 冷啟動(dòng)性能研究

在啟動(dòng)電流分別為50/70/100和150A的情況下電堆的冷啟動(dòng)能力，如圖9所示。在-25℃環(huán)境下啟動(dòng)時(shí)，電堆的電壓在啟動(dòng)后會(huì)迅速的降低，因?yàn)榇藭r(shí)電堆內(nèi)部的溫度并沒(méi)達(dá)到最佳的工作溫度，所以催化劑的活性并不高，一段時(shí)間后電壓逐漸上升，最終達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。冷卻液的溫度在不同的啟動(dòng)電流下升到0℃的時(shí)間不盡相同，啟動(dòng)電流為150A時(shí)大約需要100s加熱到0℃，而當(dāng)電流為50A時(shí)大約需要250s加熱到0℃，因此啟動(dòng)電流對(duì)電堆的啟動(dòng)具有重要的影響。但是啟動(dòng)電流越大，平均單片電壓的最低值越低，很容易造成反極，對(duì)電堆壽命造成致命的影響，因此為了安全起見(jiàn)啟動(dòng)電流最好不超過(guò)100A。

圖9 啟動(dòng)電流對(duì)啟動(dòng)時(shí)間的影響Fig.9 Effect of Starting Current on Starting Time

在前面成功啟動(dòng)的基礎(chǔ)上進(jìn)行自啟動(dòng)的實(shí)驗(yàn)，即不采用外部加熱，如圖10所示。采用恒定的電流密度為40mA/cm2下冷啟動(dòng)時(shí)可以看出在電堆啟動(dòng)后溫度越低，失敗的時(shí)間越早，在-20℃下電堆僅僅運(yùn)行100s就啟動(dòng)失敗，停止工作；而在-5℃下電堆運(yùn)行大約1000s后仍然能夠維持穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)表明冷啟動(dòng)成功，說(shuō)明環(huán)境溫度對(duì)電堆的啟動(dòng)具有重要的影響。不同啟動(dòng)溫度下的極化曲線，如圖11所示?？梢钥闯鲩_(kāi)路電壓大約為0.9V，并且在不同溫度下基本相同。溫度越低電堆的單片電壓越低，越不利于電堆的運(yùn)行，會(huì)對(duì)電堆的壽命造成重要的影響。通過(guò)比較可知，低溫下電堆的輸出電壓下降的較快，效率會(huì)降低，從而產(chǎn)熱速率會(huì)相應(yīng)的加快，可以利用該特點(diǎn)在無(wú)外部熱源的時(shí)候采用大電流進(jìn)行冷啟動(dòng)，但是該方法會(huì)對(duì)電堆的壽命造成較大的影響，因此要在壽命和啟動(dòng)時(shí)間之間進(jìn)行權(quán)衡，已得到最佳的啟動(dòng)電流。通過(guò)不同時(shí)刻電堆的阻抗可知，隨著時(shí)間的進(jìn)行，歐姆損失和濃差損失逐漸增大，說(shuō)明內(nèi)部已經(jīng)開(kāi)始結(jié)冰，堵塞了氣體傳輸路徑，導(dǎo)致停機(jī)。

圖10 自啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.10 Results of Self-Starting Experiment

圖11 冷啟動(dòng)過(guò)程分析Fig.11 Cold Start Process Analysis

5 結(jié)論

采用基于多孔介質(zhì)模型的CFD仿真方法研究了預(yù)熱系統(tǒng)對(duì)電堆內(nèi)部溫度分布特性的影響，預(yù)測(cè)了單片雙極板的換熱量及結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)換熱量的貢獻(xiàn)率。主要結(jié)論總結(jié)如下：（1）仿真結(jié)果表明波紋的長(zhǎng)度影響最大，比重占到了40%；而流道高度的影響最小，僅為17%。因此，增加波紋流道的長(zhǎng)度有利于換熱效率的提升。（2）基于仿真結(jié)果設(shè)計(jì)了換熱器用于冷啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)，汽車?yán)鋯?dòng)時(shí)預(yù)熱所需的熱量的仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的誤差均低于10%，從而保證了實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果的可靠性。（3）通過(guò)低溫艙的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)獲得了預(yù)熱時(shí)間和換熱量的變化，表明采用預(yù)熱系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)燃料電池電堆零下25℃啟動(dòng)，并且啟動(dòng)電流越大，啟動(dòng)的時(shí)間越短。不采用外部加熱系統(tǒng)，電堆只能在零下5℃成功啟動(dòng)，而在-20℃下電堆僅僅運(yùn)行100s就停止工作，因此加熱雖然會(huì)給系統(tǒng)結(jié)構(gòu)增加了復(fù)雜性及消耗一部分電量，但是能夠滿足低溫啟動(dòng)的要求，具有重要的實(shí)用價(jià)值。