余纖纖， 常華偉， 涂正凱

(華中科技大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院，湖北武漢 430074)

質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC)是一種高效清潔的能量轉(zhuǎn)換裝置[1]，風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池簡(jiǎn)化了傳統(tǒng)燃料電池的冷卻、空氣供給和加濕等系統(tǒng)，大幅降低了系統(tǒng)的質(zhì)量，使其在便攜式移動(dòng)電源方面應(yīng)用潛力巨大。然而低溫啟動(dòng)能力仍是制約其商業(yè)應(yīng)用的主要障礙之一。燃料電池啟動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生水，低溫環(huán)境下燃料電池膜電極組件(MEA)中殘存的水易凍結(jié)，冰的形成也會(huì)對(duì)MEA 的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重破壞[2]，需要在啟動(dòng)前對(duì)電堆進(jìn)行預(yù)熱[3]，PEMFC 冷啟動(dòng)特性對(duì)提高電堆的性能和壽命起著關(guān)鍵作用。PEMFC 冰點(diǎn)以下啟動(dòng)主要有停機(jī)除水與啟動(dòng)加熱兩個(gè)過(guò)程[4]，關(guān)于PEMFC 冷啟動(dòng)前人做了大量相關(guān)研究。K. Jiao 等[5]發(fā)現(xiàn)燃料電池在-3 ℃條件下可通過(guò)調(diào)整電流密度自啟動(dòng)成功。鄧鵬等[6]通過(guò)三維非穩(wěn)態(tài)仿真模擬熱空氣將電堆從- 20 ℃升溫至冰點(diǎn)以上。Hosseinzadeh 等[7]通過(guò)水熱管理實(shí)現(xiàn)質(zhì)子交換膜燃料電池叉車-25 ℃冷啟動(dòng)。Luo 等[8]采用數(shù)值模擬的方法，探究了通過(guò)氫氧催化反應(yīng)實(shí)現(xiàn)-40 ℃啟動(dòng)的可行性及其啟動(dòng)策略。同時(shí)，相關(guān)研究結(jié)果表明，當(dāng)環(huán)境溫度過(guò)低的時(shí)候利用電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的熱量不足以提高燃料電池的溫度實(shí)現(xiàn)自啟動(dòng)[9]，需要輔助裝置對(duì)電堆進(jìn)行預(yù)熱。

由于金屬雙極板相較于石墨雙極板熱容更小，導(dǎo)熱更快，本文針對(duì)極端嚴(yán)寒條件下風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池的快速啟動(dòng)提出了采用陰極流道鋪設(shè)電熱絲加熱的啟動(dòng)方案。該方案可以解決極端嚴(yán)寒條件下風(fēng)冷燃料電池常規(guī)冷啟動(dòng)可能失敗的問題，從而為風(fēng)冷金屬板燃料電池在嚴(yán)寒地區(qū)的應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池冷啟動(dòng)模型

1.1 風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池幾何模型及冷啟動(dòng)過(guò)程傳熱分析

燃料電池電堆由23 片活性面積為100 cm2的單電池組成，電堆輸出功率500 W。電堆內(nèi)部流道排列呈“蜂窩狀”結(jié)構(gòu)，在空間上線性排列，左右嚴(yán)格對(duì)稱，因此在計(jì)算時(shí)可利用對(duì)稱性計(jì)算一半電堆，縮小計(jì)算量。雙極板流道采用平直流場(chǎng)，陰極側(cè)流道和陽(yáng)極側(cè)流道相對(duì)合二為一，壓制成為雙極板，兩側(cè)分別流空氣和氫氣，內(nèi)側(cè)形成空腔。雙極板為金屬?zèng)_壓板，結(jié)構(gòu)如圖1 所示，電堆結(jié)構(gòu)如圖2 所示，模型結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1 所示。

圖1 風(fēng)冷堆金屬雙極板殼層結(jié)構(gòu)參數(shù)

圖2 風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池電堆

表1 模型結(jié)構(gòu)參數(shù)

本研究采用雙極板陰極流道插入電阻絲的加熱方式預(yù)熱，通過(guò)電堆的吸熱量與散熱量之和來(lái)確定電阻絲發(fā)熱功率與加熱時(shí)間，采用橫縱間隔不同數(shù)量的陰極流道來(lái)探究最佳布置方式。在電堆加熱過(guò)程中，由電熱絲提供熱量來(lái)加熱金屬雙極板、膜電極、集流板、絕緣板、端板等組件，由于周圍環(huán)境溫度過(guò)低，電堆與環(huán)境之間的散熱不可忽略，電熱絲的加熱功率需要在滿足散熱的情況下持續(xù)對(duì)電堆加熱。

1.2 風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池冷啟動(dòng)數(shù)學(xué)模型

風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池電堆系統(tǒng)在-40 ℃的環(huán)境中啟動(dòng)預(yù)熱時(shí)，首先需要考慮電堆和系統(tǒng)部件升溫到冰點(diǎn)所需要的熱量[10]。電堆物性參數(shù)如表2 所示，按照質(zhì)量分?jǐn)?shù)計(jì)算其熱容量：

表2 電堆主要部件材料物性參數(shù)

式中：c為比熱容；m為質(zhì)量；n為組件數(shù)量；bp 為雙極板；MEA為膜電極；cp 為集流板；ip 為絕緣板；ep 為端板。

電堆在低溫環(huán)境下各組件升溫到冰點(diǎn)所需要的熱量：

式中：Cm為電堆熱容量；ΔT為電堆溫升值。

1.3 散熱條件及電熱絲功率計(jì)算

端板處與外部大空間冷環(huán)境接觸，與環(huán)境溫度-40 ℃自然對(duì)流換熱，計(jì)算公式如下：

格拉曉夫數(shù)(Grashof)：

式中：g為重力加速度；αν為體脹系數(shù)；Δt為溫差；l為電堆換熱面特征長(zhǎng)度；ν為空氣運(yùn)動(dòng)粘度。

努塞爾數(shù)(Nusselt)：

電堆上表面：

電堆下表面：

電堆側(cè)面：

與冷環(huán)境對(duì)流換熱系數(shù)：

式中：Pr為普朗特?cái)?shù)；λ 為空氣導(dǎo)熱系數(shù)。

電堆自然對(duì)流散熱量：

電堆輻射換熱量：

電熱絲提供熱量：

電熱絲發(fā)熱功率：

式中：PR為電熱絲發(fā)熱功率；Δt為電熱絲通電發(fā)熱時(shí)間。

2 風(fēng)冷金屬雙極板燃料電池冷啟動(dòng)預(yù)熱方案數(shù)值模擬

2.1 燃料電池低溫預(yù)熱方案設(shè)計(jì)

電熱絲放置在陰極流道內(nèi)，要保證電堆升溫均勻，設(shè)計(jì)六種電熱絲布置方案。圖3 所示為電熱絲布置方案簡(jiǎn)圖。

圖3 陰極鋪設(shè)電熱絲預(yù)熱方案

2.2 求解方法及網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

上述燃料電池電堆冷啟動(dòng)預(yù)熱采用商用軟件COMSOL5.4 求解，通過(guò)導(dǎo)熱瞬態(tài)物理場(chǎng)進(jìn)行計(jì)算分析。為使結(jié)果的精度得到保證同時(shí)計(jì)算量適中，進(jìn)行網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證，如表3 所示。選取方案一鋪設(shè)方式第一層MEA 上第29.5條陰極流道中間點(diǎn)預(yù)熱后的溫度比較了四種不同粗細(xì)網(wǎng)格的計(jì)算結(jié)果(模型網(wǎng)格總數(shù)1 043 784 可以達(dá)到精度要求)。

表3 網(wǎng)格獨(dú)立性驗(yàn)證

對(duì)電堆預(yù)熱過(guò)程做出以下假設(shè)：(1)上次電堆停機(jī)后內(nèi)部水被吹掃干，啟動(dòng)前不存在自由態(tài)水；(2)氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜各向同性，各層之間無(wú)接觸熱阻；(3)預(yù)熱前燃料電池電堆為低溫環(huán)境溫度，電堆內(nèi)部溫度均勻；(4)預(yù)熱過(guò)程不考慮流道中的氣體隨溫度升高體積膨脹所引起的流動(dòng)；(5)不考慮流道以外的結(jié)構(gòu)部件，其升溫吸熱過(guò)程折合為向外熱通量代替。

3 結(jié)果與討論

3.1 電堆整體升溫性能

在實(shí)際情況中，電熱絲釋放熱量主要加熱金屬雙極板及膜電極組件，端板、絕緣板、集流板部分升溫僅靠導(dǎo)熱，短時(shí)間升溫效果不明顯，因此電阻絲發(fā)熱功率利用1.2 及1.3 節(jié)數(shù)學(xué)模型及散熱條件確定，其中Qstack以雙極板與膜電極升溫吸熱量為主進(jìn)行計(jì)算。方案一到六均采用200 W 發(fā)熱功率預(yù)熱，電堆MEA 平均溫度分布隨時(shí)間變化如圖4 所示，3 min 后膜電極平均溫度升溫至冰點(diǎn)左右，故加熱時(shí)間控制3 min 較為合適。為探究電堆整體升溫均勻性，將電堆23 片膜電極從上到下標(biāo)記為1～23 號(hào)，六個(gè)方案電堆MEA 溫度如圖5 所示。

圖4 各方案膜電極平均溫度隨時(shí)間變化

圖5 各方案膜電極200 W 加熱3 min 升溫情況

各方案預(yù)熱之后MEA 平均溫度均升溫至冰點(diǎn)以上，但電堆整體溫度分布不均勻，電堆中間MEA 溫度較高，端板附近MEA 溫度較低。電堆升溫均勻性是評(píng)價(jià)預(yù)熱過(guò)程的重要指標(biāo)，各方案升溫后膜電極溫差如圖6 所示。方案六加密端板附近電熱絲升溫均勻性好，電堆溫差小，且電熱絲交叉布置，熱量利用效率高。綜合比較，方案六在電堆MEA 整體溫升均勻性上表現(xiàn)優(yōu)異。

圖6 各方案電堆MEA 溫差

通過(guò)對(duì)比方案一到六，在電熱絲鋪設(shè)層數(shù)相同的情況下，發(fā)現(xiàn)膜電極溫升不均勻性可通過(guò)局部加密端板附近電熱絲鋪設(shè)層數(shù)來(lái)減弱。但鋪設(shè)層數(shù)過(guò)多對(duì)系統(tǒng)整體復(fù)雜性有影響，需要在滿足電堆預(yù)熱升溫要求的前提下采用盡量少的電熱絲鋪設(shè)層數(shù)。

3.2 單層膜電極升溫性能

通過(guò)觀察鋪設(shè)電熱絲層MEA 表面溫度分布可直觀看出電熱絲對(duì)膜電極的加熱效果，觀察其是否有局部過(guò)熱現(xiàn)象。如圖7 為方案一到六鋪設(shè)電熱絲MEA 層溫升情況。

圖7 各方案鋪設(shè)電熱絲MEA層溫升情況

方案一、二由于電熱絲數(shù)量少，單根發(fā)熱功率高，局部過(guò)熱現(xiàn)象較嚴(yán)重。各方案MEA 上溫差如圖8 所示，通過(guò)對(duì)比方案一到六發(fā)現(xiàn)隨著單層布置電熱絲數(shù)量的增多，膜電極溫升均勻性更好，因此單層MEA 上溫差可通過(guò)加密電熱絲數(shù)量來(lái)降低。每層鋪設(shè)電熱絲數(shù)量對(duì)整體溫升效果不明顯，但對(duì)單層MEA 溫度均勻性有重要意義。

圖8 各方案單片MEA最大溫差

4 結(jié)論

本文對(duì)500 W 金屬風(fēng)冷堆陰極埋設(shè)電熱絲預(yù)熱過(guò)程進(jìn)行模擬。通過(guò)模擬結(jié)果分析，得到在-40 ℃環(huán)境下電熱絲布置方式對(duì)電堆預(yù)熱冷啟動(dòng)可行性的影響規(guī)律，結(jié)論如下：

(1)在電熱交叉布置方式中，電熱絲發(fā)熱量輻射范圍要比均勻布置方式更廣，可在達(dá)到溫升要求的前提下減少鋪設(shè)電熱絲數(shù)量；

(2)在鋪設(shè)電熱絲層數(shù)相同的情況下，單層鋪設(shè)電熱絲數(shù)量越多，MEA 的溫升效果越均勻。但電熱絲鋪設(shè)數(shù)量越多，冷啟動(dòng)附加部件越復(fù)雜，因此在滿足溫升均勻性的前提下要盡量減少單層電熱絲的數(shù)量；

(3)在單層鋪設(shè)電熱絲數(shù)量相同的情況下，鋪設(shè)電熱絲層數(shù)越多，電堆整體溫升均勻性越好。由于端板、絕緣板、集流板的存在，加密兩端電熱絲布置層數(shù)可使靠近端板處的單電池升溫到冰點(diǎn)以上，電堆整體升溫更均勻。