风冷金属双极板燃料电池冷启动性能研究

余纤纤， 常华伟， 涂正凯

(华中科技大学能源与动力工程学院，湖北武汉 430074)

质子交换膜燃料电池(PEMFC)是一种高效清洁的能量转换装置[1]，风冷金属双极板燃料电池简化了传统燃料电池的冷却、空气供给和加湿等系统，大幅降低了系统的质量，使其在便携式移动电源方面应用潜力巨大。然而低温启动能力仍是制约其商业应用的主要障碍之一。燃料电池启动过程中产生水，低温环境下燃料电池膜电极组件(MEA)中残存的水易冻结，冰的形成也会对MEA 的结构产生严重破坏[2]，需要在启动前对电堆进行预热[3]，PEMFC 冷启动特性对提高电堆的性能和寿命起着关键作用。PEMFC 冰点以下启动主要有停机除水与启动加热两个过程[4]，关于PEMFC 冷启动前人做了大量相关研究。K. Jiao 等[5]发现燃料电池在-3 ℃条件下可通过调整电流密度自启动成功。邓鹏等[6]通过三维非稳态仿真模拟热空气将电堆从- 20 ℃升温至冰点以上。Hosseinzadeh 等[7]通过水热管理实现质子交换膜燃料电池叉车-25 ℃冷启动。Luo 等[8]采用数值模拟的方法，探究了通过氢氧催化反应实现-40 ℃启动的可行性及其启动策略。同时，相关研究结果表明，当环境温度过低的时候利用电化学反应产生的热量不足以提高燃料电池的温度实现自启动[9]，需要辅助装置对电堆进行预热。

由于金属双极板相较于石墨双极板热容更小，导热更快，本文针对极端严寒条件下风冷金属双极板燃料电池的快速启动提出了采用阴极流道铺设电热丝加热的启动方案。该方案可以解决极端严寒条件下风冷燃料电池常规冷启动可能失败的问题，从而为风冷金属板燃料电池在严寒地区的应用提供了技术支撑。

1 风冷金属双极板燃料电池冷启动模型

1.1 风冷金属双极板燃料电池几何模型及冷启动过程传热分析

燃料电池电堆由23 片活性面积为100 cm2的单电池组成，电堆输出功率500 W。电堆内部流道排列呈“蜂窝状”结构，在空间上线性排列，左右严格对称，因此在计算时可利用对称性计算一半电堆，缩小计算量。双极板流道采用平直流场，阴极侧流道和阳极侧流道相对合二为一，压制成为双极板，两侧分别流空气和氢气，内侧形成空腔。双极板为金属冲压板，结构如图1 所示，电堆结构如图2 所示，模型结构参数如表1 所示。

图1 风冷堆金属双极板壳层结构参数

图2 风冷金属双极板燃料电池电堆

表1 模型结构参数

本研究采用双极板阴极流道插入电阻丝的加热方式预热，通过电堆的吸热量与散热量之和来确定电阻丝发热功率与加热时间，采用横纵间隔不同数量的阴极流道来探究最佳布置方式。在电堆加热过程中，由电热丝提供热量来加热金属双极板、膜电极、集流板、绝缘板、端板等组件，由于周围环境温度过低，电堆与环境之间的散热不可忽略，电热丝的加热功率需要在满足散热的情况下持续对电堆加热。

1.2 风冷金属双极板燃料电池冷启动数学模型

风冷金属双极板燃料电池电堆系统在-40 ℃的环境中启动预热时，首先需要考虑电堆和系统部件升温到冰点所需要的热量[10]。电堆物性参数如表2 所示，按照质量分数计算其热容量：

表2 电堆主要部件材料物性参数

式中：c为比热容；m为质量；n为组件数量；bp 为双极板；MEA为膜电极；cp 为集流板；ip 为绝缘板；ep 为端板。

电堆在低温环境下各组件升温到冰点所需要的热量：

式中：Cm为电堆热容量；ΔT为电堆温升值。

1.3 散热条件及电热丝功率计算

端板处与外部大空间冷环境接触，与环境温度-40 ℃自然对流换热，计算公式如下：

格拉晓夫数(Grashof)：

式中：g为重力加速度；αν为体胀系数；Δt为温差；l为电堆换热面特征长度；ν为空气运动粘度。

努塞尔数(Nusselt)：

电堆上表面：

电堆下表面：

电堆侧面：

与冷环境对流换热系数：

式中：Pr为普朗特数；λ 为空气导热系数。

电堆自然对流散热量：

电堆辐射换热量：

电热丝提供热量：

电热丝发热功率：

式中：PR为电热丝发热功率；Δt为电热丝通电发热时间。

2 风冷金属双极板燃料电池冷启动预热方案数值模拟

2.1 燃料电池低温预热方案设计

电热丝放置在阴极流道内，要保证电堆升温均匀，设计六种电热丝布置方案。图3 所示为电热丝布置方案简图。

图3 阴极铺设电热丝预热方案

2.2 求解方法及网格独立性验证

上述燃料电池电堆冷启动预热采用商用软件COMSOL5.4 求解，通过导热瞬态物理场进行计算分析。为使结果的精度得到保证同时计算量适中，进行网格独立性验证，如表3 所示。选取方案一铺设方式第一层MEA 上第29.5条阴极流道中间点预热后的温度比较了四种不同粗细网格的计算结果(模型网格总数1 043 784 可以达到精度要求)。

表3 网格独立性验证

对电堆预热过程做出以下假设：(1)上次电堆停机后内部水被吹扫干，启动前不存在自由态水；(2)气体扩散层、催化层、质子交换膜各向同性，各层之间无接触热阻；(3)预热前燃料电池电堆为低温环境温度，电堆内部温度均匀；(4)预热过程不考虑流道中的气体随温度升高体积膨胀所引起的流动；(5)不考虑流道以外的结构部件，其升温吸热过程折合为向外热通量代替。

3 结果与讨论

3.1 电堆整体升温性能

在实际情况中，电热丝释放热量主要加热金属双极板及膜电极组件，端板、绝缘板、集流板部分升温仅靠导热，短时间升温效果不明显，因此电阻丝发热功率利用1.2 及1.3 节数学模型及散热条件确定，其中Qstack以双极板与膜电极升温吸热量为主进行计算。方案一到六均采用200 W 发热功率预热，电堆MEA 平均温度分布随时间变化如图4 所示，3 min 后膜电极平均温度升温至冰点左右，故加热时间控制3 min 较为合适。为探究电堆整体升温均匀性，将电堆23 片膜电极从上到下标记为1～23 号，六个方案电堆MEA 温度如图5 所示。

图4 各方案膜电极平均温度随时间变化

图5 各方案膜电极200 W 加热3 min 升温情况

各方案预热之后MEA 平均温度均升温至冰点以上，但电堆整体温度分布不均匀，电堆中间MEA 温度较高，端板附近MEA 温度较低。电堆升温均匀性是评价预热过程的重要指标，各方案升温后膜电极温差如图6 所示。方案六加密端板附近电热丝升温均匀性好，电堆温差小，且电热丝交叉布置，热量利用效率高。综合比较，方案六在电堆MEA 整体温升均匀性上表现优异。

图6 各方案电堆MEA 温差

通过对比方案一到六，在电热丝铺设层数相同的情况下，发现膜电极温升不均匀性可通过局部加密端板附近电热丝铺设层数来减弱。但铺设层数过多对系统整体复杂性有影响，需要在满足电堆预热升温要求的前提下采用尽量少的电热丝铺设层数。

3.2 单层膜电极升温性能

通过观察铺设电热丝层MEA 表面温度分布可直观看出电热丝对膜电极的加热效果，观察其是否有局部过热现象。如图7 为方案一到六铺设电热丝MEA 层温升情况。

图7 各方案铺设电热丝MEA层温升情况

方案一、二由于电热丝数量少，单根发热功率高，局部过热现象较严重。各方案MEA 上温差如图8 所示，通过对比方案一到六发现随着单层布置电热丝数量的增多，膜电极温升均匀性更好，因此单层MEA 上温差可通过加密电热丝数量来降低。每层铺设电热丝数量对整体温升效果不明显，但对单层MEA 温度均匀性有重要意义。

图8 各方案单片MEA最大温差

4 结论

本文对500 W 金属风冷堆阴极埋设电热丝预热过程进行模拟。通过模拟结果分析，得到在-40 ℃环境下电热丝布置方式对电堆预热冷启动可行性的影响规律，结论如下：

(1)在电热交叉布置方式中，电热丝发热量辐射范围要比均匀布置方式更广，可在达到温升要求的前提下减少铺设电热丝数量；

(2)在铺设电热丝层数相同的情况下，单层铺设电热丝数量越多，MEA 的温升效果越均匀。但电热丝铺设数量越多，冷启动附加部件越复杂，因此在满足温升均匀性的前提下要尽量减少单层电热丝的数量；

(3)在单层铺设电热丝数量相同的情况下，铺设电热丝层数越多，电堆整体温升均匀性越好。由于端板、绝缘板、集流板的存在，加密两端电热丝布置层数可使靠近端板处的单电池升温到冰点以上，电堆整体升温更均匀。