车用质子交换膜燃料电池电堆保温仿真研究

李友才

(河南工业大学机电工程学院，河南郑州450007)

车用质子交换膜燃料电池电堆保温仿真研究

李友才

(河南工业大学机电工程学院，河南郑州450007)

建立10 kW燃料电池电堆有限元的简化仿真模型。未采取保温措施时，在－20、－10和15℃的环境温度下，电堆从80℃降低到0℃所用的时间分别为3.0、4.0和8.0 h；用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃环境中对电堆进行保温，电堆从80℃降低到0℃需要26.3 h，电堆内部温差约为2℃，热流在电堆的四个面均匀分布；用20 mm厚的VIP(真空绝缘板)在－20℃环境中对电堆进行保温，电堆从80℃降低到0℃需要34.8 h。因此，用20 mm厚的聚苯乙烯或VIP在－10和－20℃的环境下对燃料电池发动机的电堆进行保温，可满足燃料电池汽车冬季上下班运行的需求。

质子交换膜燃料电池；低温起动；保温材料；真空绝缘板

质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低噪音、无污染、高效率等优点，它是解决环境污染和能源枯竭问题的首选汽车动力源。当环境温度低于0℃时，PEMFC残存的水就会结成冰，造成燃料电池的阴阳极流道阻塞。同时，由于水结成冰其体积增大约11%，对燃料电池的寿命和其低温起动特性造成十分不利的影响。因此，通过包裹一定数量的保温材料来达到延长燃料电池发动机冷却时间的目的，从而避免燃料电池电堆自身的温度降到0℃以下，避免电堆内部结冰对燃料电池发动机起动造成的不利影响[1-3]。

1 电堆保温仿真模型简化和建立

燃料电池电堆是一个复杂的多流道三维模型，一片电池内有阴阳极流道和冷却液流道。考虑到计算机的计算能力，将三维燃料电池模型简化为二维燃料电池模型。每片电池的正截面是一个正方形，其内阴阳极和冷却液流道中心对称分布，所以以燃料电池电堆中截面的温度分布替代整个燃料电池电堆的温度分布，如图1所示。

图1 燃料电池电堆(110片电池)中截面示意图

为了使计算机运算能力满足10 kW电堆温度分析的需求，运用热电比拟理论，把一个由复杂结构组成的双极板简化为具有等效热阻率的长方体薄板。经过两次模型简化后的10 kW燃料电池电堆的有限元模型如图2所示。

2 电堆保温仿真结果分析

2.1 无保温措施仿真分析

所有保温仿真研究的初始温度都为电堆正常工作时的温度(80℃)，环境温度根据不同的环境条件对比分别设置为15、－10、－20℃。

图3为不同时刻电堆中截面上温度分布情况。从上到下依次为0、1、2、3和4 h电堆中截面的温度分布情况。从图3中可以看出由于没有采取保温措施，初始时刻电堆表面和环境的温差较大，从而导致电堆和环境之间的热流量较大，电堆温度很快降低。

图210 kW燃料电池电堆有限元模型示意图

图3 －10℃环境中无保温材料自然降温过程

图4为在－20、－10和15℃下，没有采取保温措施时，电堆平均温度从工作温度80℃降低到0℃所用的时间分别为3.0、4.0和8.0 h。

图4 不同温度电堆降温变化曲线图

2.2 有/无保温措施对比分析

图5和图6中横坐标的始点对应燃料电池电堆最左侧的端板，横坐标的终点对应燃料电池电堆最右侧的端板。从图中可以看出在不同时刻图5和图6的温度曲线对称分布。

图5 －20℃环境中无保温措施时电堆温度变化图

图6 －20℃环境中10 mm聚苯乙烯保温电堆温度变化图

在－20℃的环境中，无保温措施时电堆降温到接近0℃所用的时间为3.0 h。使用10 mm的聚苯乙烯材料保温以后，降温时间达到17.9 h。从两图中还可以发现，图6比图5中的温度曲线平坦，说明电堆在保温条件下内部温度分布更加均匀，温差较小。对比两图中不同时刻的温度曲线可以发现，初始时刻无论是否采取了保温措施，电堆内部的温差范围都比降温结束时刻内部温差范围大。图5中温差范围由初始的10℃左右减小到5℃左右，而图6中温差范围由初始的3℃减小到1℃左右。

2.3 不同保温材料保温效果分析

采用的保温材料有聚苯乙烯、橡塑泡沫和VIP(真空绝缘板)。其中聚苯乙烯、橡塑泡沫使用了两种不同厚度的材料(10 mm和20 mm)，VIP的厚度为20 mm。各种保温材料和电堆组成材料的相关热力学参数如表1所示。

表1 各种材料的主要热力学参数

从图7可以发现，添加了保温材料以后，电堆的温度分布更加均匀，电堆内部的热量通过保温材料的四个表面均匀传递到环境中。而没有采取保温措施时，电堆的温差主要存在于不同单电池之间，温差主要集中在水平方向，所以温度最先下降的是电堆的左右两侧的电池(图3)，热流也是主要通过左右两侧电池传递到环境中。

从图7还可以发现，电堆的温度梯度在三个不同的区域分布特征不同。根据能量守恒定律，在各个物理区域流入和流出的能量数量上应该保持一致。在保温材料区域，由于保温材料的导热系数很低，为了达到同样的热流量使得保温材料内外两侧的温差最高(温度梯度约15℃)，使保温材料起到了很好的保温作用，使空气层最外层的温度提高到了－5℃。空气的导热系数略高于保温材料，所以在图7中空气层的温度梯度约为5℃。空气层充当了第二层保温材料的作用，使燃料电池最外层的温度提高到了0℃。燃料电池内部石墨板的导热系数最高，所以在燃料电池内部温差最小(约2℃)。

图7 －20℃环境20 mm聚苯乙烯保温至26.3 h电堆温度分布图

图8是用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃环境中将电堆保温至26.3 h时等温线和热流分布图。从图8可以看出，每条等温线的温差约为1℃，在保温材料层等温线密度最高，说明此区域温度梯度最大。这一结论和图7的结论相吻合，在空气层区域等温线分布也比较密集。而在导热良好的电堆内部，几乎没有等温线分布，说明电堆内部的温差小于3℃。图8中箭头的大小代表热流量的密度，从箭头的分布中可以发现热流在电堆的四个面均匀分布。

图8 －20℃环境中保温至26.3 h后等温线和热流分布图

从图9和图10中可以看出，在－10℃的环境中使用20 mm厚的VIP可以让电堆从80℃降低到0℃所用的时间维持到45 h[4-8]，此时间接近2天。在－10℃的环境中使用保温效果较差的聚苯乙烯和橡塑泡沫也能让电堆从80℃降低到0℃所用的时间超过24 h。这说明在－10℃的环境中，使用20 mm厚度的普通保温材料，燃料电池汽车停机一天以后还可以正常起动。即使在最恶劣的－20℃的环境中，用20 mm厚的聚乙烯和VIP作为保温材料，使电堆温度维持在0℃以上的时间分别达到26.3和34.8 h。一般作为上下班使用的交通工具，燃料电池汽车起动的时间间隔一般不会超过24 h，因此这样的保温效果可满足在－10和－20℃环境下燃料电池汽车上下班顺利起动并正常运行的工作需求。

图9 －10℃环境温度不同保温材料保温时间对比图

图10 －20℃环境温度不同保温材料保温时间对比图

3 结论

(1)电堆未采取保温措施时，在－20、－10和15℃的环境温度下，从80℃降低到0℃所用的时间分别为3.0、4.0和8 h。电堆内部的初始温差约10℃，降温结束时其内部温差约为5℃。

(2)用20 mm厚的聚苯乙烯在－20℃环境中对电堆进行保温，电堆从80℃降低到0℃需要26.3 h，电堆内部温差约为2℃，热流在电堆的四个面均匀分布。

(3)用20 mm厚的橡塑泡沫、聚苯乙烯和VIP在－10℃环境中对电堆进行保温，电堆从80℃降低到0℃所用时间超过24 h，而VIP则达到45 h；对于聚苯乙烯和VIP，在－20℃环境中，电堆从80℃降低到0℃分别需要26.3和34.8 h，可满足在－10和－20℃环境下燃料电池汽车上下班顺利起动并正常运行的工作需求。

[1]李友才，许思传，杨宗田.不同参数对PEMFC电堆低温起动影响的仿真研究[J].电源技术，2014，38(9)：1657-1659.

[2]李友才，杨宗田，吴心平.质子交换膜燃料电池低温起动方法的仿真研究[J].电源技术，2014，38(5)：838-840.

[3]李友才，许思传，杨志刚.燃料电池发动机低温起动试验研究[J].汽车工程，2014，36(12)：833-836.

[4]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.

[5]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.

[6]王军，许思传，李友才，等.车用质子交换膜燃料电池系统低温起动研究进展[J].电源技术，2010，34(1)：88-91.

[7]王军，许思传，李友才.基于多物理场耦合模型的车用PEMFC仿真研究[J].电源技术，2010，34(3)：261-264.

[8]李友才，许思传，杨志刚，等.PEMFC冷起动仿真模型发展现状及进展[J].电源技术，2009，33(4)：316-319.

Simulation study of heat insulation on automobile proton exchange membrane

A simplified simulation model of the finite element for the 10 kW fuel cell stack was built.The stack without heat preservation measures spent 3.0,4.0,and 8.0 h from 80℃to 0℃in the climate chamber of－20℃,－10℃and 15℃,respectively.Heat insulation time of the stack from 80℃to 0℃required 26.3 h when the polystyrene of 20 millimeters was used as heat insulator.The temperature difference of the stack interior was about 2℃.Heat insulation time of the stack could reach 45 h in the ambient condition of－20℃when the vacuum insulation plate of 20 millimeters was used as heat insulator.Therefore,it met the commuting demand of the winter for the fuel cell automobile when the polystyrene or the vacuum insulation plate of 20 millimeters was used as heat insulator for the stack of fuel cell engine.

proton exchange membrane fuel cell;cold-start;heat insulation;vacuum insulation plate

TM 911

A

1002-087 X(2016)03-0580-03

2015-08-14

李友才(1978—)，男，河南省人，博士，主要研究方向为新能源与新动力。