質子交換膜燃料電池堆自加熱冷啟動仿真研究

史維龍, 李飛強, 李 進, 白 昊, 張龍海, 柴結實

(1.鄭州宇通客車股份有限公司， 鄭州 450061； 2.國家電動客車電控與安全工程技術研究中心， 鄭州 450061)

質子交換膜燃料電池(PEMFC)具有能量轉化效率高、零排放、壽命長、比功率與比能量高、氫燃料來源廣泛等優點[1]，成為新能源汽車領域的研究熱點。燃料電池質子交換膜為確保電化學反應正常進行需保持一定的含水量，在0 ℃以下膜中的水分發生凍結，會導致燃料電池啟動失敗[2-6]。因此低溫環境下的燃料電池啟動問題成為行業發展的瓶頸之一。

燃料電池低溫啟動是目前燃料電池技術研究的熱點,在冷啟動仿真方面，國內外學者建立了燃料電池堆一維、三維數學模型，仿真分析了電堆各單電池的溫度分布及水含量，同時研究了外部冷卻液加熱、不同環境溫度、不同啟動電流對電堆冷啟動的影響[7-12]。

由于外部液體加熱需額外提供電源，且預熱時間長，電堆短時間內無法啟機[13]，本文針對一種基于電堆內嵌加熱電阻低溫啟動方式，建立電堆電化學反應、自加熱及散熱過程熱平衡數學模型，利用MATLAB計算分析不同環境溫度、加熱電阻、比熱容對電堆冷啟動的影響，并給出電堆低溫冷啟動方案。

1 燃料電池電堆熱平衡數學模型

1.1 電堆自加熱工作原理及能量守恒

燃料電池電堆在實際運行過程中會產生極化損失，膜電極的極化曲線如圖1所示。極化過程可分為活化極化、歐姆極化和濃差極化，相應的電堆內阻可分為活化極化內阻、歐姆極化內阻及濃差極化內阻。由于電堆正常工作在歐姆區，其內阻有活化極化內阻和歐姆內阻組成，對于結構確定的電堆，其內阻是定值。

為有效控制電堆內部水熱的產生，在電堆內部嵌入加熱電阻片，其等效電路圖如圖2所示。當電堆低溫啟動時，K1斷開，K2閉合，Rself等效為電堆內阻Rohm與內嵌加熱電阻Rheat之和，此時電堆所產生的電能全部用來發熱；當電堆成功啟機后，K1閉合，K2斷開，實現電堆正常帶負載運行。

圖1 燃料電池極化過程示意圖

圖2 電堆自加熱等效電路圖

電堆電化學反應就是能量轉換，即自由能通過化學反應轉換為電能的過程，其中伴隨產生大量的熱量以輻射的形式散發到周圍環境中。

由熱力學第一定律知：

Qin-Qout=We+Qd+Qc

(1)

式中：Qin為進入電堆的燃氣焓；Qout為未發生電化學反應而流出電堆的燃氣焓；We為電堆所產生的電能量，包括外部負載和自身內阻所消耗的電能；Qd為電堆流失至環境中的熱量，即輻射能量；Qc為電堆冷卻水所帶走的熱量[14]。

為簡化計算，假設入堆燃氣全部發生電化學反應，即不計流出的燃氣焓，也可理解為入堆氣體的能量除轉化成電能之外，其余均為所產生的熱量。

1.2 電堆自加熱模型

電堆自加熱熱量來源于氫氣與氧氣發生電化學放熱和內阻及內嵌電阻所產生的熱量。

燃料電池可直接將化學能轉化為電能，不受卡諾循環的限制，其轉化效率理論可達到100%。但由于燃料電池工作過程中伴隨熱量產生及出氣口中存在少許的氫氣，受目前技術的限制，實際利用效率遠低于理論值，一般處于30%～60%之間。根據目前車輛所使用的燃料電池系統核算，其電堆的轉化效率約為50%。

電堆單電池單位面積發熱量q[15]為：

(2)

式中：Eh為氧氣的標準電動勢，約為1.229 V[1]；Vcell為單電池輸出電壓；It為電堆輸出電流。

在低溫環境下，電堆啟動需要大量的熱量，而電堆自身電化學反應釋放的熱量不足以暖機啟動，還需輔助加熱，假定在電堆內部雙極板之間嵌入電阻片，每片電阻片結構形式一致，如圖3所示，通過自身電流流經電阻片產生熱量來加熱電堆，實現電堆低溫啟動。

(3)

式中：Ri為第i片電阻阻值；R為單片內嵌電阻片阻值；It為電堆啟動電流；t為加熱時間；n為加熱電阻的片數。

圖3 電堆自加熱結構

綜合式(2)和式(3)可知，電堆的總發熱量Qg為：

Qg=nqA0+Qself

(4)

式中n為電堆單電池數。

1.3 電堆散熱模型

電堆從低溫環境T2升至T1以上的過程中與外界發生熱交換，從電堆中散失的熱量包括電堆輻射至環境中的能量和電堆冷卻水所帶走的能量及電堆升溫至T1以上所需的能量。為便于計算，冷卻水所帶走的能量統算至電堆升溫所需的能量中。

電堆輻射至環境中的熱量為：

(5)

式中：εs為電堆的黑度；A1為電堆的表面積；φ12為電堆表面對環境表面的角系數，取φ12=1;C0為黑體輻射系數，值為5.67 Wm-2K-4;T1為電堆表面的溫度、T2為環境的溫度，單位為K。

電堆升溫至0 ℃以上的熱量為：

(6)

式中：Cj為電堆第j個組件的比熱容；Mj為電堆第j個組件的質量；T1為電堆表面的溫度、T2為電堆的初始溫度，單位為K。

2 計算仿真分析

2.1 確定計算輸入條件

本文以車用石墨雙極板電堆為例，電堆由460片單電池組成，電堆結構及操作參數如表1所示。

表1 電堆結構及操作參數

此外，電堆雙極板、配氣板和端板材料的比熱容對電堆低溫啟動影響較大。目前燃料電池電堆雙極板分為石墨雙極板、金屬雙極板和模壓復合雙極板。為便于計算仿真，除列出了石墨雙極板電堆材料的比熱容之外，還增列了同等功率和同等單電池數量的金屬雙極板和模壓復合雙極板的比熱容，如表2所示。

表2 燃料電池電堆材料比熱容參數

2.2 低溫環境中電堆極化特性

電堆的極化特性曲線是表征燃料電池性能的關鍵指標，不同溫度、不同負載條件下，燃料電池的性能各不相同，本仿真以擬合公式(7)為基礎，考慮自加熱電阻負載對燃料電池性能的影響，通過MATLAB計算仿真，整理仿真結果繪制了不同自加熱電阻及-30～0 ℃低溫環境條件下的燃料電池電堆極化圖，如圖4所示。

0.541 3 ln 1/(1-j).T2/T0

(7)

式中：j為電流密度；T2為環境溫度；T0為基準溫度，值為323.15 K；ε為擬合系數,值為0.05。

圖4 不同溫度與加熱電阻條件下電堆極化圖

2.3 自加熱電阻對啟動性能的影響

由前述推導公式知Qc=Qg-Qd，當Qc=0時為電堆熱量的平衡點，可求得Rheat=2.0 Ω，按單片自加熱電阻40 mΩ計算，自加熱電阻為50片。即當Rheat>2.0 Ω、環境溫度為-30 ℃時，電堆產熱量小于散熱量，電堆溫度無法升至0 ℃以上，進而無法實現電堆啟動。而當自加熱電阻過小時，電堆自加熱升溫過程中產生大量的水難以及時排出而堵塞流道，造成啟動失敗。因此在電堆自加熱低溫啟動時應選擇合適的電阻值，實現電堆正常啟動；而當Rheat<2.0時，自加熱電阻對電堆溫升有促進作用。

為直觀展現低溫環境下自加熱電阻對電堆溫升的影響，在車用石墨雙極板電堆內部分別嵌入5、10、20、30和50片自加熱電阻片，結合式(2)-(6)和電堆結構參數進行計算，得到電堆溫升時間與電堆性能和結構參數的函數關系式，進而通過MATLAB進行仿真分析，得到不同加熱電阻下電堆的溫升變化情況，如圖5所示。

由圖5可知，5片加熱電阻的電堆溫升最快，電堆從-30 ℃升至0 ℃以上用時59 s；50片加熱電阻用時288 s。

圖5 不同加熱電阻片數對電堆溫升的影響

2.4 不同材料雙極板對電堆啟動性能的影響

溫度是決定電堆能否啟動的關鍵因素之一，而電堆本體材料又直接影響其溫升效果。在石墨雙極板電堆仿真的基礎上，分別對比分析了316SSL金屬雙極板、石墨雙極板及模壓復合雙極板電堆的溫升情況，如圖6所示，可知：金屬雙極板溫升速率最快，石墨雙極板次之，模壓復合雙極板最慢；金屬雙極板和石墨雙極板電堆在啟動初期溫升差別不大，后期逐漸拉大，最后均達到平衡狀態。

圖6 不同雙極板電堆溫升情況

3 結束語

本文基于車用大功率石墨雙極板電堆構型，建立電堆自加熱熱平衡模型，利用MATLAB計算仿真研究了電堆低溫啟動過程，分析不同加熱電阻及不同電堆材料對電堆溫升情況的影響。仿真結果表明，在低溫環境下，為實現電堆的快速啟動，可以適當地減小外接電阻，適宜的阻值可通過逐步減少電阻的片數并通過試驗確定。金屬雙極板電堆啟動最快，模壓復合雙極板最慢，在電堆設計時，可根據電堆的應用場景選擇合適的材料。