质子交换膜燃料电池系统低温起动仿真

2016-04-05许思传

电源技术 2016年6期

关键词：电堆极化燃料电池

李义，许思传，许澎

(1.同济大学汽车学院，上海201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804)

质子交换膜燃料电池系统低温起动仿真

李义1,2，许思传1,2，许澎1,2

(1.同济大学汽车学院，上海201804；2.同济大学新能源汽车工程中心，上海201804)

当前燃料电池汽车受到越来越多的关注，而燃料电池汽车商业化还有很多问题亟需解决，其中燃料电池系统低温起动是一个重点难题。使用AMESim软件建立了一个燃料电池一维系统模型，针对影响燃料电池系统低温起动性能的各个因素进行了研究。仿真结果显示，较低的起动电压有利于低温起动过程，温度越低低温起动越困难，反应气体的温度对低温起动过程影响不大。

质子交换膜燃料电池；AMESim；低温起动；仿真

近年来，环境和能源的现状给汽车行业提出了更高的要求，越来越多的国家和公司开始转向新能源汽车产业。新能源汽车包括纯电动汽车、混合动力汽车和质子交换膜燃料电池（PEMFC）汽车。与传统汽车相比，燃料电池汽车的优点主要体现在其零排放、无温室气体产生、不使用石油、能量转换效率高、运行稳定和无振动噪声等。燃料电池汽车要想要获得与传统汽车相竞争的能力，必须能够适应各种外界环境条件，这就给燃料电池系统提出了更高的要求，涉及到燃料电池低温起动的研究。世界各地很多研究机构和研究人员都在开展低温起动相关研究。

仿真研究方面，Sundaresan和Moore[1]开发了一个燃料电池电堆的冷起动分析模型，通过能量守恒和热量转移分析，这个一维模型预测了电堆各个电池的温度，同时揭示了端板热流量和加热方法对冷起动的影响。Manish等[2]建立了一个燃料电池电堆瞬态一维热模型，模拟了低温起动过程中电堆内温度分布的变化情况以及运行电流、双极板/冷板、端板、扩散介质等因素对低温起动的影响。Meng[3-4]分别使用三维和二维低温起动模型来研究燃料电池的恒温低温起动特性，模拟了恒电流低温起动和恒电压低温起动过程。Ko和Ju[5]则开发了一个多相瞬态模型来研究PEMFC低温起动过程中的物理现象和传递现象。宾夕法尼亚州立大学的Mao等[6]也建立了一个三维多相模型来研究等温低温起动过程，他们使用该模型预测了阴极催化层中的冰含量在流道不同位置的变化情况，以及电流密度、水含量和温度的分布情况。

1 模型描述

本文从燃料电池系统的角度出发，仿真系统低温起动过程。采用基于LMS Imagine lab AMESim燃料电池解决方案，通过单元组合的方式来描述燃料电池特性，预测燃料电池系统低温起动过程。

1.1 模型假定

由于仿真只考虑不同影响因素下PEMFC低温起动过程，为此对PEMFC低温起动仿真系统模型中的辅助系统做出如下简化：(1)简化燃料电池水循环子系统；(2)空气系统中利用气体源项代替鼓风机。

图1所示即为PEMFC系统低温起动过程一维模型，燃料电池既可以恒电流模式起动，也可以恒电压模式起动。

1.2 系统模块简介

1.2.1 燃料电池电堆

PEMFC低温起动系统核心组件，本模型按照一款由90片单电池组成，额定功率为6 kW的商业化电堆来建立，燃料电池电堆模型如图2所示，图中：端口1是燃料电池电堆与外界热量交换端；端口2、3分别是阳极侧氢气输出、输入端，为燃料电池电堆提供燃料；端口4、5是电压、电流的输出端，与外电路相连，输出电能驱动外电路负载或者提供不同的外界工况；端口6、7是阴极侧空气的输入、输出端，为燃料电池电堆提供氧化剂。

图1 质子交换膜燃料电池系统低温起动过程一维模型

图2 燃料电池电堆模型

模型中燃料电池电堆参数如表1所示。

在一维仿真平台中，PEMFC被认为是一个由石墨构成的均匀的具有稳定热特性的固体，其参数定义如表2所示，主要为物质的密度、比热容和导热系数。

表1 燃料电池电堆模型参数

表2 燃料电池电堆物质参数

1.2.2 其他模块

本文所涉及的燃料电池系统模型除了核心的燃料电池电堆模块外，还包括氢气罐模块、加湿器模块、鼓风机模块等，本文不再赘述。

1.3 PEMFC极化曲线

极化曲线是表征燃料电池特性的重要指标，它表明了在某一工作条件下燃料电池的电流所对应的电压值。而对于本仿真，极化曲线也是一个极为重要的参数。同时考虑到低温起动过程中，燃料电池性能会随着燃料电池温度变化而变化，故本仿真中必须考虑到各温度下燃料电池的极化性能。

本仿真采用实验实测的50℃下燃料电池性能数据，并利用Matlab中“lsqcurvefit”优化工具对实验数据进行非线性曲线拟合，拟合出适合本实验的燃料电池电堆极化特性曲线。

拟合后的50℃燃料电池极化特性曲线如图3所示，在燃料电池散热能力很好的条件下，燃料电池电堆的电流密度可以达到0.65 A/cm2，电堆电流值可以高达162.5 A。而在现有条件下，电堆输出电流是无法达到这一高电流值的。故该拟合过程弱化了燃料电池电池浓差极化部分。

图3 50℃燃料电池电堆拟合极化特性曲线

考虑到燃料电池温度对活化电压损失与浓差电压损失呈线性影响，电池温度对电池的质子传导率呈指数影响，即温度对欧姆电压损失呈指数影响。本仿真在之前的20℃拟合极化特性曲线基础上，提出适应本文燃料电池电堆的不同温度下(-10～50℃)的燃料电池极化特性曲线数学表达式：

公式(1)中的参数是基于一定的精度范围和参数范围。据此公式作出不同温度下PEMFC极化特性曲线，如图4所示。

图4 不同温度下电堆极化特性曲线

2 结果与讨论

燃料电池系统低温起动过程的影响因素有很多，包括流场板的形状、膜的厚度、GDL材料、催化剂活性等等，本文PEMFC低温起动仿真模型主要从系统的角度考虑不同因素对燃料电池低温起动性能的影响，包括起动电压、电堆初始温度、进气温度等。

文献[7]中已论证恒电压低温起动模式优于恒电流起动模式，故本文不再考虑恒电流低温起动模式。图5为燃料电池系统从-5℃以恒电压模式低温起动的仿真结果。从图5中可以看出，以不同的起动电压进行低温起动，电堆电流与温度的增加趋势大致相同。30 V恒电压起动时，系统运行90 s电堆温度达到约45℃，电堆温度上升到0℃耗时约14 s；40 V恒电压起动时，系统运行90 s电堆温度达到约25℃，电堆温度上升到0℃耗时约20 s。同时，图5(a)中的电堆电流值明显比图5 (b)的要大，图5(c)也显示，30 V起动电堆的温升速率明显比40 V的要大，表明其发热功率较大。综上所述，较低的起动电压更有利于电堆低温起动。

图5 -5℃时不同起动电压对低温起动过程的影响

图6为实验室实测的燃料电池系统不同起动电压下的起动结果。由图6可知，30 V恒电压起动时，电堆温度上升到0℃大约耗时35 s；40 V恒电压起动时，电堆温度上升到0℃大约耗时63 s。同时，图6(a)中的电堆电流值明显比图6(b)中的电流值要大；图6(a)中的电压值下降后缓慢上升，而图6(b)中的电压值呈现不稳定上升的情况，这是由于40 V恒电压起动时，燃料电池电流较小，致使电池发热量较小，不足以融化电化学反应生成水所冻结成的冰，导致燃料电池内部反应不均匀。这也证实了仿真得到的低起动电压更加有利于低温起动。

图6 -5℃恒电压低温起动实验结果

图7(a)为燃料电池电堆从-10℃以30 V恒电压进行低温起动的仿真结果。该仿真中燃料电池系统运行90 s后电堆温度达到约32℃，电堆温度上升到0℃耗时约30 s。将图7(a)与图7(b)进行对比，得到图7(c)，可以看出，同样是30 V恒电压起动，起动时温度越低，燃料电池系统中电堆电流越低，温升越慢，而起动也越困难。

图7 不同电堆初始温度对30 V恒电压低温起动的影响

图8为不同进空气温度对低温起动过程影响的仿真结果，仿真对电堆入口空气分别为低温-10℃、常温20℃与高温50℃的情况进行了对比。结果显示，较高的进气温度对燃料电池低温起动性能可以提供一定程度的帮助但并不显著，温度越高，燃料电池电堆的温升速率越高，但差距较小。这表明由于空气比热较小，进气加热对燃料电池低温起动意义不大。因此，在车用燃料电池系统低温起动过程中可以忽略进气温度的影响。

图8 不同进气温度对低温起动性能的影响

3 结论

本文利用AMESim一维系统仿真研究了燃料电池系统在低温环境中的起动能力受不同影响因素的影响。研究结果显示，较低的起动电压能够有效提升燃料电池的低温起动性能。另外，外界环境温度越低，燃料电池实现低温起动就会更加困难。研究还发现，燃料电池的进气温度对于燃料电池低温起动性能并没有太大影响，可以忽略。

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Simulation of cold start of PEM fuel cell system

Increasing attention is paid to fuel cell vehicles, but there are many problems to be solved before the commercialization of fuel cell vehicles,and the cold start process of the fuel cell systems is of great difficulty among all the problems.A one-dimensional model of fuel cell system was developed by using AMESim,and the influence factors of cold start process of fuel cell system were studied.The results show that the lower voltage is beneficial to cold start;the lower temperature of fuel cell will enlarge the difficulty of cold start;the temperature of reaction gas doesn't have much effect on the cold start process.

PEMFC;AMESim;cold start;simulation

TM 911

1002-087 X(2016)06-1202-03