充電機充電質(zhì)子交換膜燃料蓄電池低溫啟動水熱管理特性及優(yōu)化
2018-7-2 14:00:58??????點擊：
充電機充電質(zhì)子交換膜燃料蓄電池在車輛中具有較大的應(yīng)用潛力。低溫啟動過程是指充電機充電燃料蓄電池從較低的初始溫度啟動，直到穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程。該過程中的水熱管理特性決定充電機充電燃料蓄電池的輸出性能。利用數(shù)值仿真方法，建立一個一維多相流充電機充電蓄電池堆模型，研究不同條件下從10℃低溫啟動直到升溫至80℃的過程中充電機充電蓄電池啟動性能和水熱管理特性。
結(jié)果表明，隨著啟動過程的進行，充電機充電蓄電池堆溫度分布的不均勻性逐漸凸顯。啟動初期電壓下降，主導(dǎo)因素是顯著的電滲拖曳效應(yīng)（EOD）導(dǎo)致陽極電阻增大。陽極氫-氧催化反應(yīng)輔助啟動，既可使充電機充電蓄電池堆更快達到正常工作溫度，也可為陽極快速加濕，降低電阻，獲得更高的輸出電壓。而陰極氫-氧催化反應(yīng)輔助啟動易導(dǎo)致陰極水淹，因此不利于提高低溫啟動過程中的水熱管理性能。
充電機充電質(zhì)子交換膜燃料蓄電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有零排放、高效率、低噪聲、低振動、低工作溫度等優(yōu)點[1]，因此在各個領(lǐng)域中都具有極大的應(yīng)用潛力，包括交通運輸、分布式發(fā)電、備用電源以及便攜設(shè)備供電等[2-5]。尤其是車用PEMFC，在全球能源環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻的今天，更被認(rèn)為是替代內(nèi)燃機作為主要能源轉(zhuǎn)換裝置的備選方案之一。
由于車輛必須適應(yīng)在不同地區(qū)的多種環(huán)境條件下工作，因此能否應(yīng)對各種環(huán)境因素的挑戰(zhàn)并保持高效工作狀態(tài)，成為了PEMFC能否在汽車中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一[6]。低溫啟動性能就是環(huán)境適應(yīng)性中的重點之一。
PEMFC在工作中不斷由陽極輸入氫氣，陰極輸入空氣，通過質(zhì)子交換膜傳遞質(zhì)子H+，同時通過外電路傳遞電子，由此發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，輸出電能[7]。PEMFC由其電化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)共同決定其正常工作溫度應(yīng)保持在70~90℃區(qū)間，以獲得最大的工作效率[8]。
因此，PEMFC從較低溫度下啟動直到溫度升高到正常工作溫度這一階段，其輸出性能較低。如何縮短低效的啟動時間以及提高啟動階段內(nèi)的充電機充電蓄電池性能，是車用充電機充電燃料蓄電池應(yīng)用的研究重點之一。
低溫啟動又分為0℃以下低溫和0℃以上低溫。從0℃以下低溫啟動，充電機充電燃料蓄電池中生成的水有很大的概率發(fā)生結(jié)冰，會導(dǎo)致充電機充電蓄電池性能迅速衰退?，F(xiàn)有研究中較多關(guān)注了0℃以下低溫啟動的機理和性能。
K. Jiao等[9,10]通過實驗研究了恒定電壓及恒定電流條件下，PEMFC從0℃以下啟動時的性能特性，發(fā)現(xiàn)在低溫下，質(zhì)子交換膜的含水量低，因此電導(dǎo)率較低，充電機充電蓄電池難以獲得較高的電壓輸出，而隨著啟動過程的進行，一方面生成的水會進入膜中，提高其電導(dǎo)率；另一方面充電機充電蓄電池工作產(chǎn)生的熱量使溫度升高，反應(yīng)活性進一步增強。
另外，一些實驗通過可視化技術(shù)觀測了充電機充電蓄電池低溫啟動過程中的水傳輸現(xiàn)象。這些技術(shù)包括透明充電機充電燃料蓄電池實驗技術(shù)[11,12]、中子射線透照技術(shù)[13-16]、X射線透照技術(shù)[17,18]等。這些研究發(fā)現(xiàn)，PEMFC低溫啟動過程中的水傳輸與熱傳輸?shù)鸟詈献饔檬怯绊憜有阅艿年P(guān)鍵因素。
通過建立充電機充電燃料蓄電池數(shù)學(xué)模型進行研究，相比于實驗研究，可揭示更深層次的規(guī)律，并且便于參數(shù)化的優(yōu)化設(shè)計和從機理出發(fā)進行分析測試。因此仿真模型提供了重要的研究工具[19, 20]。然而，現(xiàn)有的低溫啟動仿真研究主要集中在0℃以下啟動階段中的結(jié)冰過程[21,22]，而只有較少的研究關(guān)注了從0℃以上低溫升溫到正常工作溫度這一過程[23]。
本研究建立一個充電機充電質(zhì)子交換膜燃料蓄電池堆低溫啟動模型，本模型充分考慮了充電機充電蓄電池堆工作過程中的多種傳熱、傳質(zhì)、相變及電化學(xué)反應(yīng)等過程的耦合作用，研究范疇是充電機充電蓄電池堆從10℃低溫啟動直到升溫到正常工作溫度80℃并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程。
因為：①現(xiàn)有研究中關(guān)注這個啟動階段的較少；②該啟動過程相對于0℃以下的啟動，也更符合實際應(yīng)用中的絕大部分情況。因此本研究對實用的車用充電機充電燃料蓄電池系統(tǒng)設(shè)計有一定的參考意義。
圖6 三種不同啟動模式的極化曲線對比
圖10 三種不同啟動模式下，充電機充電蓄電池堆積比電阻隨啟動時間的變化
圖11 三種不同啟動方式下，CLc液態(tài)水飽和度隨啟動時間的變化
結(jié)論
本文建立的PEMFC一維充電機充電蓄電池堆多相流模型詳細涵蓋了充電機充電蓄電池堆工作過程中的傳熱、傳質(zhì)、相變和電化學(xué)過程。通過與相同條件下實驗結(jié)果的對比，驗證了模型的準(zhǔn)確度。基于本模型研究了充電機充電蓄電池堆從低溫10℃啟動直到升溫到正常工作溫度80℃并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)過程的啟動性能和水熱管理特性。
研究發(fā)現(xiàn)，充電機充電蓄電池堆低溫啟動過程中，內(nèi)部出現(xiàn)顯著的溫度分布不均勻性，并且隨著啟動過程的進行，溫度不均勻性也逐漸凸顯。在啟動初期約5s內(nèi)，串聯(lián)總電阻增大，電壓快速下降。當(dāng)陽極和陰極的膜態(tài)水含量的濃度差建立起來之后，膜態(tài)水的反擴散作用凸顯出來，與EOD作用相互平衡。至此，MEA中的膜態(tài)水分布相對穩(wěn)定，而電化學(xué)反應(yīng)在陰極催化層生成的水也補充到MEA中。
實施陽極氫-氧催化反應(yīng)，一方面可提高升溫速率，使得充電機充電蓄電池堆快速達到正常工作溫度；另一方面可為陽極快速加濕，降低電阻，獲得更高的輸出電壓。然而，陰極氫-氧催化反應(yīng)盡管也可提高升溫速率，但不利于陰極水管理，輸出性能反而有所削弱。因此，綜合分析下，陽極氫-氧催化反應(yīng)輔助啟動是最優(yōu)化的低溫啟動模式。
結(jié)果表明，隨著啟動過程的進行，充電機充電蓄電池堆溫度分布的不均勻性逐漸凸顯。啟動初期電壓下降，主導(dǎo)因素是顯著的電滲拖曳效應(yīng)（EOD）導(dǎo)致陽極電阻增大。陽極氫-氧催化反應(yīng)輔助啟動，既可使充電機充電蓄電池堆更快達到正常工作溫度，也可為陽極快速加濕，降低電阻，獲得更高的輸出電壓。而陰極氫-氧催化反應(yīng)輔助啟動易導(dǎo)致陰極水淹，因此不利于提高低溫啟動過程中的水熱管理性能。
充電機充電質(zhì)子交換膜燃料蓄電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）具有零排放、高效率、低噪聲、低振動、低工作溫度等優(yōu)點[1]，因此在各個領(lǐng)域中都具有極大的應(yīng)用潛力，包括交通運輸、分布式發(fā)電、備用電源以及便攜設(shè)備供電等[2-5]。尤其是車用PEMFC，在全球能源環(huán)境問題日趨嚴(yán)峻的今天，更被認(rèn)為是替代內(nèi)燃機作為主要能源轉(zhuǎn)換裝置的備選方案之一。
由于車輛必須適應(yīng)在不同地區(qū)的多種環(huán)境條件下工作，因此能否應(yīng)對各種環(huán)境因素的挑戰(zhàn)并保持高效工作狀態(tài)，成為了PEMFC能否在汽車中廣泛應(yīng)用的關(guān)鍵因素之一[6]。低溫啟動性能就是環(huán)境適應(yīng)性中的重點之一。
PEMFC在工作中不斷由陽極輸入氫氣，陰極輸入空氣，通過質(zhì)子交換膜傳遞質(zhì)子H+，同時通過外電路傳遞電子，由此發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，輸出電能[7]。PEMFC由其電化學(xué)熱力學(xué)和反應(yīng)動力學(xué)共同決定其正常工作溫度應(yīng)保持在70~90℃區(qū)間，以獲得最大的工作效率[8]。
因此，PEMFC從較低溫度下啟動直到溫度升高到正常工作溫度這一階段，其輸出性能較低。如何縮短低效的啟動時間以及提高啟動階段內(nèi)的充電機充電蓄電池性能，是車用充電機充電燃料蓄電池應(yīng)用的研究重點之一。
低溫啟動又分為0℃以下低溫和0℃以上低溫。從0℃以下低溫啟動，充電機充電燃料蓄電池中生成的水有很大的概率發(fā)生結(jié)冰，會導(dǎo)致充電機充電蓄電池性能迅速衰退?，F(xiàn)有研究中較多關(guān)注了0℃以下低溫啟動的機理和性能。
K. Jiao等[9,10]通過實驗研究了恒定電壓及恒定電流條件下，PEMFC從0℃以下啟動時的性能特性，發(fā)現(xiàn)在低溫下，質(zhì)子交換膜的含水量低，因此電導(dǎo)率較低，充電機充電蓄電池難以獲得較高的電壓輸出，而隨著啟動過程的進行，一方面生成的水會進入膜中，提高其電導(dǎo)率；另一方面充電機充電蓄電池工作產(chǎn)生的熱量使溫度升高，反應(yīng)活性進一步增強。
另外，一些實驗通過可視化技術(shù)觀測了充電機充電蓄電池低溫啟動過程中的水傳輸現(xiàn)象。這些技術(shù)包括透明充電機充電燃料蓄電池實驗技術(shù)[11,12]、中子射線透照技術(shù)[13-16]、X射線透照技術(shù)[17,18]等。這些研究發(fā)現(xiàn)，PEMFC低溫啟動過程中的水傳輸與熱傳輸?shù)鸟詈献饔檬怯绊憜有阅艿年P(guān)鍵因素。
通過建立充電機充電燃料蓄電池數(shù)學(xué)模型進行研究，相比于實驗研究，可揭示更深層次的規(guī)律，并且便于參數(shù)化的優(yōu)化設(shè)計和從機理出發(fā)進行分析測試。因此仿真模型提供了重要的研究工具[19, 20]。然而，現(xiàn)有的低溫啟動仿真研究主要集中在0℃以下啟動階段中的結(jié)冰過程[21,22]，而只有較少的研究關(guān)注了從0℃以上低溫升溫到正常工作溫度這一過程[23]。
本研究建立一個充電機充電質(zhì)子交換膜燃料蓄電池堆低溫啟動模型，本模型充分考慮了充電機充電蓄電池堆工作過程中的多種傳熱、傳質(zhì)、相變及電化學(xué)反應(yīng)等過程的耦合作用，研究范疇是充電機充電蓄電池堆從10℃低溫啟動直到升溫到正常工作溫度80℃并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程。
因為：①現(xiàn)有研究中關(guān)注這個啟動階段的較少；②該啟動過程相對于0℃以下的啟動，也更符合實際應(yīng)用中的絕大部分情況。因此本研究對實用的車用充電機充電燃料蓄電池系統(tǒng)設(shè)計有一定的參考意義。
圖6 三種不同啟動模式的極化曲線對比
圖10 三種不同啟動模式下，充電機充電蓄電池堆積比電阻隨啟動時間的變化
圖11 三種不同啟動方式下，CLc液態(tài)水飽和度隨啟動時間的變化
結(jié)論
本文建立的PEMFC一維充電機充電蓄電池堆多相流模型詳細涵蓋了充電機充電蓄電池堆工作過程中的傳熱、傳質(zhì)、相變和電化學(xué)過程。通過與相同條件下實驗結(jié)果的對比，驗證了模型的準(zhǔn)確度。基于本模型研究了充電機充電蓄電池堆從低溫10℃啟動直到升溫到正常工作溫度80℃并達到穩(wěn)定工作狀態(tài)過程的啟動性能和水熱管理特性。
研究發(fā)現(xiàn)，充電機充電蓄電池堆低溫啟動過程中，內(nèi)部出現(xiàn)顯著的溫度分布不均勻性，并且隨著啟動過程的進行，溫度不均勻性也逐漸凸顯。在啟動初期約5s內(nèi)，串聯(lián)總電阻增大，電壓快速下降。當(dāng)陽極和陰極的膜態(tài)水含量的濃度差建立起來之后，膜態(tài)水的反擴散作用凸顯出來，與EOD作用相互平衡。至此，MEA中的膜態(tài)水分布相對穩(wěn)定，而電化學(xué)反應(yīng)在陰極催化層生成的水也補充到MEA中。
實施陽極氫-氧催化反應(yīng)，一方面可提高升溫速率，使得充電機充電蓄電池堆快速達到正常工作溫度；另一方面可為陽極快速加濕，降低電阻，獲得更高的輸出電壓。然而，陰極氫-氧催化反應(yīng)盡管也可提高升溫速率，但不利于陰極水管理，輸出性能反而有所削弱。因此，綜合分析下，陽極氫-氧催化反應(yīng)輔助啟動是最優(yōu)化的低溫啟動模式。
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