质子交换膜燃料电池低温起动方法的仿真研究

李友才，杨宗田，吴心平，郏国中

（河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450007）

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

质子交换膜燃料电池低温起动方法的仿真研究

李友才，杨宗田，吴心平，郏国中

（河南工业大学机电工程学院，河南 郑州 450007）

在一定假设条件下，将每片单电池分成10层，每层看成一个集总参数，利用Matlab/Simulink软件搭建了由20片单电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型。采用不同的起动方法使电堆达到低温起动条件，对电堆的低温起动特性进行仿真分析，得到不同低温起动方法的电堆内部温度分布规律和其自身起动的所需时间，为燃料电池电堆低温起动的商业化提供技术支持。

PEMFC；双极板加热；低温起动；仿真分析

质子交换膜燃料电池（PEMFC）具有低噪音、无污染、零排放、高效率及室温可快速起动等优点，是解决环境污染和能源枯竭问题的重要汽车动力源。由于PEMFC内有残存的水存在，当环境温度低于0℃时，这些残存的水就会变成冰，从而造成电堆的阴阳极流道阻塞，由于水结成冰其体积增大约11%，会对燃料电池的寿命和冷起动特性造成严重的影响。因此，低温环境下起动电堆前，需采取一定的低温起动措施来消除残存冰对PEMFC的不利影响[1-2]。

本文通过建立由20片单电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型，对电堆停机吹扫、电堆进气加热、电堆端板和双极板加热、膜加热/MEA加热、电堆自加热的不同低温起动方法进行深入仿真研究。

1 建立燃料电池电堆模型

1片单体电池由双极板、气体扩散层、催化层和PEM组成。在一定假设条件下，将每片电池分成10层（冷却液流道、隔板×2、阴阳极气体流道、阴阳极气体扩散层、阴阳极催化层及PEM）。将单电池的各层和两个端板层看作一个集总参数

单体电池各层总的通用能量方程如式（1）：

假设整个电堆的初始温度为－20℃。端板由高分子聚合物材料制成，双极板材料是石墨，质子交换膜杜邦NafionR112。依据公式（1），利用Matlab/Simulink软件搭建了由20片单电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型，其模型示意图如图1所示[3]。

图1 电堆模型示意图

2 仿真计算与分析

2.1 电堆停机吹扫

电堆停机前数分钟由控制器发出信号，对电堆停止加湿。关机后，由控制器控制风机/压缩机以一定转速继续运行88 s[4]，对电堆阴极流道进行吹扫。此时压缩机出口空气的质量流量为0.005 kg/s。假设电堆冷却液流道内无残存的冷却液，对电堆停机后吹扫与不吹扫条件下进行升温仿真，仿真结果如图2所示。从图2可以看出，对电堆进行吹扫与不吹扫的条件下，电堆阴极催化层温度达到触发温度所需要的时间分别为89.7和181.9 s。电堆经过吹扫其自身内部残存的水很少，在低于0℃的环境下生成的冰也很少，电堆最冷电池阴极催化层温度达到触发温度的时间较短。而电堆不经过吹扫其自身内部残存的水结成冰堵塞阴阳极流道和扩散层，假设每片电池的阴极气体扩散层有50%的空隙被冰堵塞，即每片电池阴极扩散层和阴极流道内有4.6 g冰，这些初始温度为－20℃的冰在61 s时就使电堆每片电池阴极催化层的平均温度达到0℃。但由于冰的熔解热很大，需要77 s的时间才能将0℃的冰熔解完毕，然后再经过43.9 s才能使电堆最冷电池阴极催化层的温度达到触发温度，如图3所示。这主要是由于冰的比热容为2 100 J/kg·K，冰的熔解热为335 000 J/kg，从而延长电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度的时间。因此在低于冰点的环境下，在电堆停机后，对电堆吹扫一段时间是十分有必要的。

图2 电堆吹扫与不吹扫条件下电池各层温度分布

图3 电堆中间电池各层温度随时间变化曲线

2.2 电堆进气加热

电堆进气加热即通过动力电池或外接电源，在电堆不工作的条件，直接驱动风机/压缩机，通过其对空气进行绝热压缩可使出口的温度达到30～80℃，风机/压缩机出口温度高低取决于其压缩比的大小。将高温高压的气体通过管路送入电堆阴极，通过空气与电堆阴极流道表面进行对流换热来加热电堆自身。设定环境和电堆的温度均为－20℃，不同压比的风机/压缩机出口的温度分别为30、60和80℃，并假设电堆内没有残存的冷却液和残存的冰，其所对应的仿真结果如图4所示。从图4可以看出，进入电堆阴极入口的温度不同，电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度所需要的时间也不同。与电堆阴极入口温度相对应的达到触发温度所需要的时间分别为200、143.25和100 s，电堆中间电池各层的温差很小，这主要由于石墨双极板的导热系数相对较大所致。电堆左右两侧电池各层温度分布不对称，主要由于热空气是由电堆阴极入口进入电堆的，热空气首先与电堆的阴极流道进行对流换热，然后再将热量向电池各层传递，所以电堆阴极侧温度较高。通过风机/压缩机对低温下的环境空气进行绝热压缩来加热电堆同样是一种快速可行的低温起动方法，且该方法不需要对燃料电池发动机系统增加额外的硬件设备。

图4 电堆电池各层温度分布

2.3 电堆端板双极板加热

在加工端板（高分子聚合物）的过程中，将薄电加热丝置于电堆左右两侧的端板内。同样在加工双极板时，每隔一片电池或几片电池将薄电加热丝置于双极板阴阳极流道内，其示意图如图5所示。在低温起动前，由控制器发出指令接通动力电池对电堆进行加热。

图5 电堆端板和双极板加热布置示意图

2.3.1 端板加热

假设电堆冷却液流道内无残存的冷却液，并且电堆阴阳极流道内没有残存的冰。分别向电堆的两个端板加入50、100、200W的热源对其进行加热，同时向每片电池的质子交换膜内加入40W的热源，其仿真结果如图6所示。从图6可以看出，分别经过44.7、44.5和44.2 s的时间都使电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度0℃，且电堆中间电池最高温度分别达到了16.3、16.1和15.9℃，在不同端板加热功率的前提下，电堆电池各层的温度几乎相等，但不同端板加热功率对紧靠电堆两侧端板的电池各层温度影响很小。因此仅仅利用外部热源加热端板几乎不能缩短电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度0℃的时间。虽然从燃料电池系统的角度考虑，端板加热方法比较容易布置，但是对于快速低温起动来说加热端板并不是一种经济、实用的冷起动方法。

图6 端板加热电堆电池各层温度分布

2.3.2 双极板加热

向电堆每片电池的双极板内分别加入20和50W的热源，假设电堆冷却液流道内无残存的冷却液，并且电堆阴阳极流道内没有残存的冰，其仿真结果如图7所示。从图7可以看出，分别经过101.1、43.65 s的时间都使电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度0℃，且电堆中间电池最高温度分别达到了20.3和24.2℃。电堆中间数片电池各层的温差很小，温差仅有0.3℃，而不像质子交换膜加热时电堆中间电池各层的温差最大可达1.3℃。这主要是因为双极板的材料是石墨，石墨的导热系数比质子交换膜的导热系数大很多。对电堆的低温起动来说，选用合适的加热功率对电堆的双极板加热同样是一种快速、有效的方法。

图7 双极板加热电堆电池各层温度分布

2.4 膜加热/MEA加热

膜加热/MEA加热即每片或隔一片、几片单电池在其表面安装一个电加热丝，在燃料电池发动机起动前，通过起动开关将起动信号传给ECU，ECU将采集电堆温度信号并作出判断，若电堆处于冷起动状态，则ECU发出指令接通电源开关给MEA或膜表面的薄电加热丝供电，对电堆进行加热，使电堆自身的温度升到0℃以上。

向电堆每片电池的MEA或膜加入20和50W的热源对其进行加热，假设电堆冷却液流道内无残存的冷却液，并且电堆阴阳极流道内没有残存的冰，仿真结果如图8所示。从图8可以看出，电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度0℃所需要的时间分别为89.7和35.7 s，电堆中间电池的最高温度分别达到15.7和16.5℃。因此，对电堆低温起动来说，选用合适的加热功率对MEA或膜加热是一种快捷、有效的方法。通过在MEA或膜表面布置一定功率的薄电加热丝，可以成功实现燃料电池电堆的低温起动。

图8 MEA加热电堆电池各层温度分布

2.5 电堆自加热

假设电堆阴阳极流道内没有残存的冰，电堆加载电流密度为1.0 A/cm2，不考虑加载过程中电化学反应所生成的冰及冰对电堆单电池阴阳极流道堵塞所造成的影响，仿真结果如图9所示。从图9可以看出，电堆在电流密度为1.0 A/cm2时，经过47.6 s的自加热使电堆最冷电池阴极催化层的温度达到触发温度0℃，电堆中间第10片电池最高温度达到8.3℃，满足了起动条件。但要使电堆所有单电池各层的温度都达到触发温度0℃则需要74.4 s，电堆中间第10片电池最高温度达到19.9℃。由于对电堆加载的电流大，单位时间内产生的热量多，此时散到空气中的热量可以忽略不计，因此，忽略结冰的影响，对电堆加载大电流可以在短时间内将电堆单电池各层温度加热到0℃或以上，从而可使电堆满足冷起动的条件。

图9 自加热电堆各层温度分布

电堆在起动终了(47.6 s)，电堆单电池1、10和20各层的温度分布如图10所示，从图10可以看出，电堆中间第10片电池各层温度并不对称，阴极催化层的温度最高，达到8.3℃，这主要由单电池各层产生的热量不同所致，电化学反应发生在阴极，产生的热量聚集在阴极催化层，所以阴极催化层的温度最高。电堆单电池第1和20(紧靠端板两侧)阴极催化层的温度都高于0℃，但靠近端板的几层温度仍低于0℃，比电堆所有单电池各层都达到0℃或以上所需的时间缩短了26.8 s。实际上，没有必要使电堆单电池各层的温度都达到0℃以上，在一个由几百片单电池组成的电堆中，紧靠端板两侧的两片电池各层温度低于0℃，对整个电堆起动来说根本不受影响。

图10 自加热电堆电池1、10和20各层温度分布

加载大的电流密度，电堆自身的温度升高较快，但同时伴随有较多的水生成，在电堆自身的温度达到0℃之前，反应所生成的水逐渐结成冰堵塞电池的阴阳极流道，阻止氢气和氧气的继续反应，若在电堆自身温度达到0℃之前，电堆电池的阴阳极流道都被生成的冰堵塞了，则电堆会立刻停止工作。针对不同的电堆，单电池存在一个临界电压和与之相对应的合适电流，在化学反应生成的水结成冰完全堵塞电堆阴阳极流道之前使电堆温度达到0℃以上。因此在低温环境下对电堆加载多大电流进行自加热，这是由不同规格的电堆所决定的。

3 结论

（1）电堆经过吹扫其内部残存的水很少，在低于0℃的环境下生成的冰也很少，电堆最冷电池阴极催化层温度达到触发温度的时间较短。因此在低于冰点的环境下，在电堆停机后，对其吹扫一段时间是十分有必要的。

（2）电堆阴极入口的空气温度不同，电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度所需要的时间也不同。电堆中间电池各层的温差很小。电堆左右两侧电堆电池各层温度分布不对称。通过进气加热电堆是一种快速、可行的低温起动方法，且该方法不需要对燃料电池发动机系统增加额外的硬件设备。

（3）不同加热功率对紧靠电堆两侧端板的电池各层温度影响很小。仅仅利用外部热源加热端板几乎不能缩短电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度0℃的时间，因此加热端板并不是一种经济、实用的低温起动方法。

（4）对电堆进行双极板加热，电堆中间数片电池各层的温差很小，温差仅有0.3℃，而不像对MEA或膜加热，电堆中间电池各层的温差最大可达1.3℃。这是由于双极板的材料（石墨）导热系数比MEA或膜的导热系数大很多所致。对电堆加载大电流可以在短时间内将电堆单电池各层温度加热到0℃或以上，从而可使电堆满足低温起动的条件，但是需要考虑在加载过程中反应所生成的水逐渐结成冰堵塞电池的阴阳极流道和不同规格电堆的影响。

[1]李友才，许思传，杨志刚，等.车用PEMFC保温试验研究[J].电源技术，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，许思传，杨志刚.不同电流密度的PEMFC冷起动特性研究[J].电池，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

校高层次人才基金（2010BS054）

李友才（1978—），男，河南省人，工学博士，主要研究方向为新能源与新动力。系统，具体模型见文献[2]。