質(zhì)子交換膜燃料電池汽車(chē)?yán)淦饎?dòng)性能的研究

周怡博，王 菊，于 丹

(1.中國(guó)汽車(chē)技術(shù)研究中心汽車(chē)產(chǎn)業(yè)發(fā)展研究所，北京 100070； 2.天津大學(xué)，內(nèi)燃機(jī)燃燒學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)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(dòng)快和對(duì)環(huán)境友好等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是未來(lái)最有希望能夠?yàn)槠?chē)提供清潔能源的轉(zhuǎn)換裝置。然而，燃料電池汽車(chē)在0℃以下起動(dòng)(冷起動(dòng))時(shí)其內(nèi)部的液態(tài)水就會(huì)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(chē)的冷起動(dòng)問(wèn)題是其商業(yè)化過(guò)程中需要解決的一個(gè)非常重要的技術(shù)問(wèn)題。

近年來(lái)，針對(duì)PEMFC冷起動(dòng)的研究逐漸開(kāi)展起來(lái)，其中實(shí)驗(yàn)方面的研究主要關(guān)注冷起動(dòng)過(guò)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(guò)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(lái)研究單電池內(nèi)部物質(zhì)傳輸過(guò)程中更多的細(xì)節(jié)問(wèn)題[5-6]。事實(shí)上，為了能有足夠的動(dòng)力來(lái)驅(qū)動(dòng)汽車(chē)，通常情況下是將多個(gè)單電池組裝在一起形成燃料電池堆，這使冷起動(dòng)的過(guò)程更加復(fù)雜。

本文中通過(guò)建立一維的燃料電池電堆冷起動(dòng)模型，對(duì)燃料電池電堆的冷起動(dòng)過(guò)程進(jìn)行研究。研究中通過(guò)改變冷起動(dòng)控制方法，合理有效地提高燃料電池電堆在-20℃時(shí)的冷起動(dòng)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(yùn)行過(guò)程中，陰陽(yáng)兩極都會(huì)有液態(tài)水存在。當(dāng)電池處于0℃以下的環(huán)境中時(shí)，電池中的液態(tài)水就會(huì)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(kuò)散層(gas diffusion layer, GDL)、催化層(catalyst layer, CL)和質(zhì)子交換膜中的傳輸過(guò)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?jǐn)?shù)；ε為孔隙率；EW為膜的化學(xué)當(dāng)量，kg·kmol-1；ω為CL中離子聚合物的體積分?jǐn)?shù)；λ為離子聚合物的水含量；D為質(zhì)量擴(kuò)散率，m2·s-1。模型中水的相變過(guò)程是在方程的源相中體現(xiàn)出來(lái)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(duì)流傳熱在本模型中的數(shù)值較低，所以方程中忽略了對(duì)流傳熱的影響。

2 結(jié)果與討論

2.1 模擬與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

為更好地驗(yàn)證本研究中所使用模型的準(zhǔn)確性，模型中參數(shù)的設(shè)置與文獻(xiàn)[7]中的實(shí)驗(yàn)條件相同，并在相同情況下對(duì)比了-20℃時(shí)不同電流密度i下的冷起動(dòng)過(guò)程，對(duì)比結(jié)果如圖2所示。從圖2中可以看出，模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果基本相同，進(jìn)一步驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確性。

2.2 外部加熱功率均勻分布的情況

通過(guò)4種不同算例對(duì)包含有50個(gè)單電池的電堆冷起動(dòng)性能進(jìn)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(gè)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(gè)單電池在不同時(shí)間冰的體積分?jǐn)?shù)的分布情況。從圖中可以看出，隨著時(shí)間的不斷增加，電池內(nèi)部冰的含量逐漸增加，當(dāng)時(shí)間達(dá)到25s時(shí)，幾乎所有單電池內(nèi)部冰的體積分?jǐn)?shù)都達(dá)到了1。這說(shuō)明盡管利用外部加熱功率給電堆進(jìn)行了輔助加熱，但仍出現(xiàn)了電堆冷起動(dòng)失敗的情況。從理論上說(shuō)，利用外部加熱可以在一定程度上延緩冷起動(dòng)過(guò)程中冰的形成速度，并使冷起動(dòng)成功，但實(shí)際情況并非如此。由此看來(lái)，如果想通過(guò)均勻加熱的方式使冷起動(dòng)成功，還須加大外部加熱功率，這必然會(huì)增加燃料電池汽車(chē)的整車(chē)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(dòng)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(gè)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(shí)間的變化情況。從圖中可以看出：在電池運(yùn)行的前25s中，位于電堆兩端和中間的單電池電壓隨著時(shí)間的增加而逐漸增加，這是因?yàn)殡姵貎?nèi)部的液態(tài)水還沒(méi)有完全轉(zhuǎn)化成冰，電化學(xué)反應(yīng)仍然在正常進(jìn)行；當(dāng)時(shí)間達(dá)到25s時(shí)，電堆中部的第25個(gè)電池的電壓突然下降為0，說(shuō)明這個(gè)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?jǐn)?shù)隨時(shí)間的變化情況。由圖可見(jiàn)：在電池開(kāi)始運(yùn)行的前10s，所有單電池冰的體積分?jǐn)?shù)基本相同，但當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到50s時(shí)，電堆中部大部分單電池冰的體積分?jǐn)?shù)基本達(dá)到了1，而兩端的4個(gè)電池在外部加熱功率的作用下，冰的體積分?jǐn)?shù)幾乎為0，即這4個(gè)電池仍然保持著正常工作；隨著時(shí)間的增加，當(dāng)運(yùn)行時(shí)間達(dá)到200s時(shí)，正常工作的電池已達(dá)到了12個(gè)。圖4(d)為溫度分布，可以看出，當(dāng)電堆兩端的電池溫度達(dá)到50℃時(shí)，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?cái)?shù)目太多，使電堆兩端正常工作的電池所產(chǎn)生的熱量沒(méi)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(gè)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?jǐn)?shù)最先開(kāi)始逐漸減小，并且在相同的時(shí)間內(nèi)，算例3中冰體積分?jǐn)?shù)為0的單電池?cái)?shù)量要明顯高于算例2中的數(shù)量，這說(shuō)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(yùn)行的開(kāi)始階段，隨著時(shí)間的增加，所有電池內(nèi)部冰的體積分?jǐn)?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(gè)電池上。電池中冰的體積分?jǐn)?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(shí)間內(nèi)，恢復(fù)工作的單電池?cái)?shù)量明顯增加，并達(dá)到17個(gè)，且電堆內(nèi)部各個(gè)電池的分布也更加均勻。說(shuō)明算例4的加熱方式最為高效、合理，使電堆的冷起動(dòng)功能達(dá)到最佳。

3 結(jié)論

本文中建立了一個(gè)包含有50個(gè)單電池的質(zhì)子交換膜燃料電池電堆模型，對(duì)燃料電池汽車(chē)的冷起動(dòng)性能進(jìn)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(dòng)過(guò)程中恢復(fù)工作的單電池?cái)?shù)目更多，冷起動(dòng)的時(shí)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(dòng)性能，使燃料電池汽車(chē)可在-20℃時(shí)成功起動(dòng)。

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