质子交换膜燃料电池冷启动仿真模拟综述

姚国富



质子交换膜燃料电池冷启动仿真模拟综述

姚国富

(武汉船用电力推进装置研究所，武汉 430064)

本文综述了质子交换膜燃料电池仿真和模拟，并对其应用做了介绍和分析。

质子交换膜燃料电池 仿真模拟 冷启动

0 前言

随着全球温室效应的加剧，国际逐渐加大对船舶运输业碳排放的控制，并逐步征收碳排放税，这对我国航运业、造船业及钢材等间接相关行业均造成较大影响。因此，开发替代传统的船舶动力系统的新型船舶推进系统日益迫切。

燃料电池是通过将燃料（如：氢、天然气、甲烷、甲醇等）和空气中的氧气发生电化学反应，直接将反应物中的化学能转化为电能的发电装置，可作为新一代船舶船舶推进发电系统。燃料电池发电过程不排放二氧化碳，及NOx、SOx等有害气体，是一种真正的绿色船舶电力推进系统[1]，完全符合日益规范化的环保要求，。挪威、德国、荷兰等欧洲造船强国早在2000年代初即开始船用燃料电池的研发，目前已经开发了“Alsterwasser”和“H2 Nemo”燃料电池客船。

目前，广泛应用的燃料电池新型船舶电力推进系统一般采用船用燃料电池系统作为主电源，以蓄电池组作为辅助供电源。燃料电池系统冷启动和故障状态时，蓄电池组起到辅助或应急供电作用，当燃料电池正常运行后，蓄电池组处于浮充电状态。因此，燃料电池冷启动性能和稳定性是整个电力推进系统至关重要的两个因素。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）冷启动是一个动态非稳定过程，一方面系统升温过程需要匹配系统整体运行状态，另一方面燃料电池内部循环水流道或膜电极中残余的水在环境温度低于0℃时，残余的水结冰势必造成对电池冷起动特性、使用寿命的严重的影响。因此，有必要在燃料电池冷启动过程通过一些技术手段，减轻或消除残存水结冰对燃料电池的不良影响。主要技术手段包括：1）氮气吹扫，在燃料电池停止工作后，用干燥的氮气对燃料电池进行吹扫，尽可能排除内部残余水，该方法需要携带大量氮气；2）通热循环液加热，在燃料电池冷起动前，先开启水泵，用热循环液给燃料电池内部进行升温；3）质子交换膜和端板加热，向质子交换膜内和端板内加入一定功率的内部热源，以此加热燃料电池；4）保温，燃料电池停止工作后，使其保持在0℃以上，以此保证其内部残存的水不结冰；5）通热反应气，通过加热进人阴阳极的反应气，将热量带入燃料电池内；6）氢氧反应加热，向燃料电池阴极通入一定量氢气，通过氢氧反应产生的热量来加热电堆[2-5]。

对于不同情况，可选择不同的冷启动方式。此外，燃料电池设计与开发也应该根据其工作环境、冷启动方式的选择，为缩短冷启动时间、提高系统响应速度，同时提高系统能量利用率、使用寿命、具体操作参数等，了应首先解燃料电池冷启动运行机理、优化电池结构，从而建立控制策略。通过仿真模拟研究，能够降低研究风险，同时更深入、细致了解燃料电池冷启动过程中内部的特性。因此，在燃料电池的系统仿真模拟中，冷启动过程是重要关键点之一。

1 模型

结合冷启动方式，文献报道了各种冷启动模型。1）集成总参数模型：Amphlett模型、Gurski模型和DeFrancesco模型，这些模型均在的问题是没有考虑电堆内部0℃以下的水、热管理，因而难以确定燃料电池电堆内部的温度分布形态，只能估算其内部是否达到水热平衡。2）分层能量方程模型，主要包括：Manish Khandelwal模型、Yuyao Shan模型、Meena Sundaresan模型等，相比集成总参数模型而言，此类模型引入更多模型参数，能够详细描述燃料电池电堆各单电池每一层的温度分布。其中，Manish Khandelwal 和 Meena Sundaresan模型针对电堆内部温度零下的水、热管理及行为状态进行了表达，此外，模型还确定了反应气、冷却液温度，以及端板、双极板加热等因素对电堆冷启动特性的影响规律。但是，这类模型也存在自身的缺陷，如：Meena Sundaresan模型和YuyaoShan模型只能描述单层电池的温度值，Manish Khandelwal模型只能确定各个单电池层在一个方向上的温度分布规律，对于水平垂直、竖直垂直两个方向温度分布的描述无能为力。

综合而言，当前建立燃料电池电堆二维或三维冷启动温度分布解析模型尤为重要，直接关系到电堆冷启动过程温度特性研究，对电堆内部流程设计有重要意义。因此，二维或三维低温模型是今后学者的探索研究重要方向。

基于目前实际情况，在实际燃料电池设计工作中，通常可以根据自己的研究目的，选择合适的模型，多轮次迭代设计，从而完成整体形态表达。

2 案例分析

2.1 质子交换膜加热冷启动

本案利用内热源方式对燃料电池内的质子交换膜进行加热，排除冷却液、气体等加热方式。通过对电堆最冷和中间电池阴极催化层作为触发点进行加热，通过热传递仿真模拟，分别得到图1中曲线1和2所示温度分布，分析可知，采用最冷触发加热后，经过132.79 s，电堆从－20℃升温到0℃；而采用中间触发加热方式，电堆仅需要42.35 s。即可实现从－20℃升温到0℃。

从图1还可看出，最冷触发加热方式的曲线1的最高温度为43.9℃，而中间触发加热方式曲线2的最高温度为2℃，并且中间触发加热方式达到触发温度时所需时间仅是最冷触发加热方式耗时的1/3。

因此，采用电堆中间电池阴极催化层触发加热方式，电堆冷启动响应更快。但是，仿真结果好表明，燃料电池电堆端板侧的各层电池的温度仍低于0℃，此状态对电堆的冷启动长期运行产生不利影响。通过质子交换膜进行加热联合端板加热冷启动，对电堆整体温度均匀分布将会有显著改善。

2.2 冷却液加热

冷却液加热前提条件是液体温度高于0℃。本案设定冷却液的温度是5℃，流量是1.44 m3/h。图2中曲线1和曲线2分别是用电堆最冷电池和中间电池阴极催化层温度作为触发温度所得到的仿真结果，对比曲线1和曲线2后可知，以最冷电池和中间电池作为触发，从-20℃加热到0℃所用时间分别为4.58 s和11.65 s，还可知，以中间电池作为触发的电堆温度为0.9℃，比以最冷电池作为触发的电堆温度低，这是由于冷却液单位时间内换热量大。

相比质子交换膜加热，冷却液加热效率更高，可见用冷却液加热电堆是更有效的冷启动方法。

2.3 端板加热

端板位于燃料电池电堆两端，本方案采用两个端板分别加200 W的内热源方式。为验证3.1中质子交换膜联合端板加热冷启动对电堆整体温度均匀分布改善的设想，本案同时采用了这两种加热方式，质子交换膜内加入50 W的内热源，两个端板内加入200 W的内热源。前后两种方案分别得到图3曲线1和曲线2，因为电堆单电池层数多大300层，端板加热方式难以对中间催化层构成影响，电堆中间数个电池温度低于0℃，可见其内部仍有冰存在。对比图3和图1，质子交换膜联合端板加热方式，仅耗时109 s燃料电池电堆内所有电池阴极催化层温度均达到触发温度，因此该方案有利于电堆起动。

2.4 氢气燃烧加热

氢气燃烧加热是电堆冷启动之前，先向阴极和阳极通入一定量的氢气和氧气，两种气体将发生电化学反应，并释放热量，从而对电堆起到冷启动加热的作用。

根据文献资料，阴阳极通入氢气和氧气的量范围分别是1％～7％ vol 和0.5％～3.5％ vol 。本案采用了体积含量为5％氢气通人阴极，同时设定两种气体反应过程是稳态、绝热反应。仿真模拟结果如图4所示，经过124.25 s，燃料电池电堆最冷电池阴极催化层达到触发温度，此外，电堆最高温度为31.9℃。因此，该冷启动方案可行，但是反应过程控制和温度分布关系不稳定，存在一定危险性，不便于操作和控制。

3 结束语

本文首先对燃料电池冷启动多种模型进行了分析对比，并提出未来发展趋势。在此基础上，进一步通过一系列冷启动技术措施和仿真模拟案例分析，得到如下结论：

1）用冷却液加热电堆是最有效的方法之一。

2）质子交换膜、端板加热电堆可能可行的，但是方法和参数需要试验摸索。

3）氢气燃烧加热电堆可行的，但有一定的危险性，不便于操作和控制。

[1] 衣宝廉．燃料电池原理·技术·应用[M]．北京：化学工业出版社，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

姚国富（1982-），男，硕士，工程师。研究方向：化学电源。