姚國富

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質(zhì)子交換膜燃料電池冷啟動仿真模擬綜述

姚國富

(武漢船用電力推進裝置研究所，武漢 430064)

本文綜述了質(zhì)子交換膜燃料電池仿真和模擬，并對其應(yīng)用做了介紹和分析。

質(zhì)子交換膜燃料電池 仿真模擬 冷啟動

0 前言

隨著全球溫室效應(yīng)的加劇，國際逐漸加大對船舶運輸業(yè)碳排放的控制，并逐步征收碳排放稅，這對我國航運業(yè)、造船業(yè)及鋼材等間接相關(guān)行業(yè)均造成較大影響。因此，開發(fā)替代傳統(tǒng)的船舶動力系統(tǒng)的新型船舶推進系統(tǒng)日益迫切。

燃料電池是通過將燃料（如：氫、天然氣、甲烷、甲醇等）和空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，直接將反應(yīng)物中的化學(xué)能轉(zhuǎn)化為電能的發(fā)電裝置，可作為新一代船舶船舶推進發(fā)電系統(tǒng)。燃料電池發(fā)電過程不排放二氧化碳，及NOx、SOx等有害氣體，是一種真正的綠色船舶電力推進系統(tǒng)[1]，完全符合日益規(guī)范化的環(huán)保要求，。挪威、德國、荷蘭等歐洲造船強國早在2000年代初即開始船用燃料電池的研發(fā)，目前已經(jīng)開發(fā)了“Alsterwasser”和“H2 Nemo”燃料電池客船。

目前，廣泛應(yīng)用的燃料電池新型船舶電力推進系統(tǒng)一般采用船用燃料電池系統(tǒng)作為主電源，以蓄電池組作為輔助供電源。燃料電池系統(tǒng)冷啟動和故障狀態(tài)時，蓄電池組起到輔助或應(yīng)急供電作用，當(dāng)燃料電池正常運行后，蓄電池組處于浮充電狀態(tài)。因此，燃料電池冷啟動性能和穩(wěn)定性是整個電力推進系統(tǒng)至關(guān)重要的兩個因素。

質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）冷啟動是一個動態(tài)非穩(wěn)定過程，一方面系統(tǒng)升溫過程需要匹配系統(tǒng)整體運行狀態(tài)，另一方面燃料電池內(nèi)部循環(huán)水流道或膜電極中殘余的水在環(huán)境溫度低于0℃時，殘余的水結(jié)冰勢必造成對電池冷起動特性、使用壽命的嚴重的影響。因此，有必要在燃料電池冷啟動過程通過一些技術(shù)手段，減輕或消除殘存水結(jié)冰對燃料電池的不良影響。主要技術(shù)手段包括：1）氮氣吹掃，在燃料電池停止工作后，用干燥的氮氣對燃料電池進行吹掃，盡可能排除內(nèi)部殘余水，該方法需要攜帶大量氮氣；2）通熱循環(huán)液加熱，在燃料電池冷起動前，先開啟水泵，用熱循環(huán)液給燃料電池內(nèi)部進行升溫；3）質(zhì)子交換膜和端板加熱，向質(zhì)子交換膜內(nèi)和端板內(nèi)加入一定功率的內(nèi)部熱源，以此加熱燃料電池；4）保溫，燃料電池停止工作后，使其保持在0℃以上，以此保證其內(nèi)部殘存的水不結(jié)冰；5）通熱反應(yīng)氣，通過加熱進人陰陽極的反應(yīng)氣，將熱量帶入燃料電池內(nèi)；6）氫氧反應(yīng)加熱，向燃料電池陰極通入一定量氫氣，通過氫氧反應(yīng)產(chǎn)生的熱量來加熱電堆[2-5]。

對于不同情況，可選擇不同的冷啟動方式。此外，燃料電池設(shè)計與開發(fā)也應(yīng)該根據(jù)其工作環(huán)境、冷啟動方式的選擇，為縮短冷啟動時間、提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，同時提高系統(tǒng)能量利用率、使用壽命、具體操作參數(shù)等，了應(yīng)首先解燃料電池冷啟動運行機理、優(yōu)化電池結(jié)構(gòu)，從而建立控制策略。通過仿真模擬研究，能夠降低研究風(fēng)險，同時更深入、細致了解燃料電池冷啟動過程中內(nèi)部的特性。因此，在燃料電池的系統(tǒng)仿真模擬中，冷啟動過程是重要關(guān)鍵點之一。

1 模型

結(jié)合冷啟動方式，文獻報道了各種冷啟動模型。1）集成總參數(shù)模型：Amphlett模型、Gurski模型和DeFrancesco模型，這些模型均在的問題是沒有考慮電堆內(nèi)部0℃以下的水、熱管理，因而難以確定燃料電池電堆內(nèi)部的溫度分布形態(tài)，只能估算其內(nèi)部是否達到水熱平衡。2）分層能量方程模型，主要包括：Manish Khandelwal模型、Yuyao Shan模型、Meena Sundaresan模型等，相比集成總參數(shù)模型而言，此類模型引入更多模型參數(shù)，能夠詳細描述燃料電池電堆各單電池每一層的溫度分布。其中，Manish Khandelwal 和 Meena Sundaresan模型針對電堆內(nèi)部溫度零下的水、熱管理及行為狀態(tài)進行了表達，此外，模型還確定了反應(yīng)氣、冷卻液溫度，以及端板、雙極板加熱等因素對電堆冷啟動特性的影響規(guī)律。但是，這類模型也存在自身的缺陷，如：Meena Sundaresan模型和YuyaoShan模型只能描述單層電池的溫度值，Manish Khandelwal模型只能確定各個單電池層在一個方向上的溫度分布規(guī)律，對于水平垂直、豎直垂直兩個方向溫度分布的描述無能為力。

綜合而言，當(dāng)前建立燃料電池電堆二維或三維冷啟動溫度分布解析模型尤為重要，直接關(guān)系到電堆冷啟動過程溫度特性研究，對電堆內(nèi)部流程設(shè)計有重要意義。因此，二維或三維低溫模型是今后學(xué)者的探索研究重要方向。

基于目前實際情況，在實際燃料電池設(shè)計工作中，通常可以根據(jù)自己的研究目的，選擇合適的模型，多輪次迭代設(shè)計，從而完成整體形態(tài)表達。

2 案例分析

2.1 質(zhì)子交換膜加熱冷啟動

本案利用內(nèi)熱源方式對燃料電池內(nèi)的質(zhì)子交換膜進行加熱，排除冷卻液、氣體等加熱方式。通過對電堆最冷和中間電池陰極催化層作為觸發(fā)點進行加熱，通過熱傳遞仿真模擬，分別得到圖1中曲線1和2所示溫度分布，分析可知，采用最冷觸發(fā)加熱后，經(jīng)過132.79 s，電堆從－20℃升溫到0℃；而采用中間觸發(fā)加熱方式，電堆僅需要42.35 s。即可實現(xiàn)從－20℃升溫到0℃。

從圖1還可看出，最冷觸發(fā)加熱方式的曲線1的最高溫度為43.9℃，而中間觸發(fā)加熱方式曲線2的最高溫度為2℃，并且中間觸發(fā)加熱方式達到觸發(fā)溫度時所需時間僅是最冷觸發(fā)加熱方式耗時的1/3。

因此，采用電堆中間電池陰極催化層觸發(fā)加熱方式，電堆冷啟動響應(yīng)更快。但是，仿真結(jié)果好表明，燃料電池電堆端板側(cè)的各層電池的溫度仍低于0℃，此狀態(tài)對電堆的冷啟動長期運行產(chǎn)生不利影響。通過質(zhì)子交換膜進行加熱聯(lián)合端板加熱冷啟動，對電堆整體溫度均勻分布將會有顯著改善。

2.2 冷卻液加熱

冷卻液加熱前提條件是液體溫度高于0℃。本案設(shè)定冷卻液的溫度是5℃，流量是1.44 m3/h。圖2中曲線1和曲線2分別是用電堆最冷電池和中間電池陰極催化層溫度作為觸發(fā)溫度所得到的仿真結(jié)果，對比曲線1和曲線2后可知，以最冷電池和中間電池作為觸發(fā)，從-20℃加熱到0℃所用時間分別為4.58 s和11.65 s，還可知，以中間電池作為觸發(fā)的電堆溫度為0.9℃，比以最冷電池作為觸發(fā)的電堆溫度低，這是由于冷卻液單位時間內(nèi)換熱量大。

相比質(zhì)子交換膜加熱，冷卻液加熱效率更高，可見用冷卻液加熱電堆是更有效的冷啟動方法。

2.3 端板加熱

端板位于燃料電池電堆兩端，本方案采用兩個端板分別加200 W的內(nèi)熱源方式。為驗證3.1中質(zhì)子交換膜聯(lián)合端板加熱冷啟動對電堆整體溫度均勻分布改善的設(shè)想，本案同時采用了這兩種加熱方式，質(zhì)子交換膜內(nèi)加入50 W的內(nèi)熱源，兩個端板內(nèi)加入200 W的內(nèi)熱源。前后兩種方案分別得到圖3曲線1和曲線2，因為電堆單電池層數(shù)多大300層，端板加熱方式難以對中間催化層構(gòu)成影響，電堆中間數(shù)個電池溫度低于0℃，可見其內(nèi)部仍有冰存在。對比圖3和圖1，質(zhì)子交換膜聯(lián)合端板加熱方式，僅耗時109 s燃料電池電堆內(nèi)所有電池陰極催化層溫度均達到觸發(fā)溫度，因此該方案有利于電堆起動。

2.4 氫氣燃燒加熱

氫氣燃燒加熱是電堆冷啟動之前，先向陰極和陽極通入一定量的氫氣和氧氣，兩種氣體將發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，并釋放熱量，從而對電堆起到冷啟動加熱的作用。

根據(jù)文獻資料，陰陽極通入氫氣和氧氣的量范圍分別是1％～7％ vol 和0.5％～3.5％ vol 。本案采用了體積含量為5％氫氣通人陰極，同時設(shè)定兩種氣體反應(yīng)過程是穩(wěn)態(tài)、絕熱反應(yīng)。仿真模擬結(jié)果如圖4所示，經(jīng)過124.25 s，燃料電池電堆最冷電池陰極催化層達到觸發(fā)溫度，此外，電堆最高溫度為31.9℃。因此，該冷啟動方案可行，但是反應(yīng)過程控制和溫度分布關(guān)系不穩(wěn)定，存在一定危險性，不便于操作和控制。

3 結(jié)束語

本文首先對燃料電池冷啟動多種模型進行了分析對比，并提出未來發(fā)展趨勢。在此基礎(chǔ)上，進一步通過一系列冷啟動技術(shù)措施和仿真模擬案例分析，得到如下結(jié)論：

1）用冷卻液加熱電堆是最有效的方法之一。

2）質(zhì)子交換膜、端板加熱電堆可能可行的，但是方法和參數(shù)需要試驗摸索。

3）氫氣燃燒加熱電堆可行的，但有一定的危險性，不便于操作和控制。

[1] 衣寶廉．燃料電池原理·技術(shù)·應(yīng)用[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[2] Amphlett J C，Baumert R M，Mann R F，et al. Performance modeling of the ballard mark IV solid polymer electrolyte fuel cell II Empirical model development．J Electrochemical Soc，1995，l42：9-15．

[3] Khandelwal M，Sungho L，Mench M M．One—dimensional thermal model of cold—start in a polymer electrolyte fuel cell stack．J Power Sources，2007，172：816-830．

[4] Amphlftt J C，Mann R F，Peppley B A， et a1．A model predicting transient responses of proton exchange membrane fuel cells．J Power Sources，1996，61：183-188．

[5] De Francesco M，Arato E．Startup analysis for automotive PEM fuel cell systems．J Power Sources，2002，108：41-52．

Review on Simulation and Model of Cold Start for Proton Exchange Membrane Fuel Cell

Yao Guofu

(Wuhan Institute of Marine Electric Propulsion , Wuhan 430064 , China )

TM911

A

1003-4862（2014）07-0063-03

2014-04-02

姚國富（1982-），男，碩士，工程師。研究方向：化學(xué)電源。