質子交換膜燃料電池系統低溫起動仿真

李 義，許思傳，許 澎

(1.同濟大學汽車學院，上海201804；2.同濟大學新能源汽車工程中心，上海201804)

質子交換膜燃料電池系統低溫起動仿真

李 義1,2，許思傳1,2，許 澎1,2

(1.同濟大學汽車學院，上海201804；2.同濟大學新能源汽車工程中心，上海201804)

當前燃料電池汽車受到越來越多的關注，而燃料電池汽車商業化還有很多問題亟需解決，其中燃料電池系統低溫起動是一個重點難題。使用AMESim軟件建立了一個燃料電池一維系統模型，針對影響燃料電池系統低溫起動性能的各個因素進行了研究。仿真結果顯示，較低的起動電壓有利于低溫起動過程，溫度越低低溫起動越困難，反應氣體的溫度對低溫起動過程影響不大。

質子交換膜燃料電池；AMESim；低溫起動；仿真

近年來，環境和能源的現狀給汽車行業提出了更高的要求，越來越多的國家和公司開始轉向新能源汽車產業。新能源汽車包括純電動汽車、混合動力汽車和質子交換膜燃料電池（PEMFC）汽車。與傳統汽車相比，燃料電池汽車的優點主要體現在其零排放、無溫室氣體產生、不使用石油、能量轉換效率高、運行穩定和無振動噪聲等。燃料電池汽車要想要獲得與傳統汽車相競爭的能力，必須能夠適應各種外界環境條件，這就給燃料電池系統提出了更高的要求，涉及到燃料電池低溫起動的研究。世界各地很多研究機構和研究人員都在開展低溫起動相關研究。

仿真研究方面，Sundaresan和Moore[1]開發了一個燃料電池電堆的冷起動分析模型，通過能量守恒和熱量轉移分析，這個一維模型預測了電堆各個電池的溫度，同時揭示了端板熱流量和加熱方法對冷起動的影響。Manish等[2]建立了一個燃料電池電堆瞬態一維熱模型，模擬了低溫起動過程中電堆內溫度分布的變化情況以及運行電流、雙極板/冷板、端板、擴散介質等因素對低溫起動的影響。Meng[3-4]分別使用三維和二維低溫起動模型來研究燃料電池的恒溫低溫起動特性，模擬了恒電流低溫起動和恒電壓低溫起動過程。Ko和Ju[5]則開發了一個多相瞬態模型來研究PEMFC低溫起動過程中的物理現象和傳遞現象。賓夕法尼亞州立大學的Mao等[6]也建立了一個三維多相模型來研究等溫低溫起動過程，他們使用該模型預測了陰極催化層中的冰含量在流道不同位置的變化情況，以及電流密度、水含量和溫度的分布情況。

1 模型描述

本文從燃料電池系統的角度出發，仿真系統低溫起動過程。采用基于LMS Imagine lab AMESim燃料電池解決方案，通過單元組合的方式來描述燃料電池特性，預測燃料電池系統低溫起動過程。

1.1 模型假定

由于仿真只考慮不同影響因素下PEMFC低溫起動過程，為此對PEMFC低溫起動仿真系統模型中的輔助系統做出如下簡化：(1)簡化燃料電池水循環子系統；(2)空氣系統中利用氣體源項代替鼓風機。

圖1所示即為PEMFC系統低溫起動過程一維模型，燃料電池既可以恒電流模式起動，也可以恒電壓模式起動。

1.2 系統模塊簡介

1.2.1 燃料電池電堆

PEMFC低溫起動系統核心組件，本模型按照一款由90片單電池組成，額定功率為6 kW的商業化電堆來建立，燃料電池電堆模型如圖2所示，圖中：端口1是燃料電池電堆與外界熱量交換端；端口2、3分別是陽極側氫氣輸出、輸入端，為燃料電池電堆提供燃料；端口4、5是電壓、電流的輸出端，與外電路相連，輸出電能驅動外電路負載或者提供不同的外界工況；端口6、7是陰極側空氣的輸入、輸出端，為燃料電池電堆提供氧化劑。

圖1 質子交換膜燃料電池系統低溫起動過程一維模型

圖2 燃料電池電堆模型

模型中燃料電池電堆參數如表1所示。

在一維仿真平臺中，PEMFC被認為是一個由石墨構成的均勻的具有穩定熱特性的固體，其參數定義如表2所示，主要為物質的密度、比熱容和導熱系數。

表1 燃料電池電堆模型參數

表2 燃料電池電堆物質參數

1.2.2 其他模塊

本文所涉及的燃料電池系統模型除了核心的燃料電池電堆模塊外，還包括氫氣罐模塊、加濕器模塊、鼓風機模塊等，本文不再贅述。

1.3 PEMFC極化曲線

極化曲線是表征燃料電池特性的重要指標，它表明了在某一工作條件下燃料電池的電流所對應的電壓值。而對于本仿真，極化曲線也是一個極為重要的參數。同時考慮到低溫起動過程中，燃料電池性能會隨著燃料電池溫度變化而變化，故本仿真中必須考慮到各溫度下燃料電池的極化性能。

本仿真采用實驗實測的50℃下燃料電池性能數據，并利用Matlab中“lsqcurvefit”優化工具對實驗數據進行非線性曲線擬合，擬合出適合本實驗的燃料電池電堆極化特性曲線。

擬合后的50℃燃料電池極化特性曲線如圖3所示，在燃料電池散熱能力很好的條件下，燃料電池電堆的電流密度可以達到0.65 A/cm2，電堆電流值可以高達162.5 A。而在現有條件下，電堆輸出電流是無法達到這一高電流值的。故該擬合過程弱化了燃料電池電池濃差極化部分。

圖3 50℃燃料電池電堆擬合極化特性曲線

考慮到燃料電池溫度對活化電壓損失與濃差電壓損失呈線性影響，電池溫度對電池的質子傳導率呈指數影響，即溫度對歐姆電壓損失呈指數影響。本仿真在之前的20℃擬合極化特性曲線基礎上，提出適應本文燃料電池電堆的不同溫度下(-10～50℃)的燃料電池極化特性曲線數學表達式：

公式(1)中的參數是基于一定的精度范圍和參數范圍。據此公式作出不同溫度下PEMFC極化特性曲線，如圖4所示。

圖4 不同溫度下電堆極化特性曲線

2 結果與討論

燃料電池系統低溫起動過程的影響因素有很多，包括流場板的形狀、膜的厚度、GDL材料、催化劑活性等等，本文PEMFC低溫起動仿真模型主要從系統的角度考慮不同因素對燃料電池低溫起動性能的影響，包括起動電壓、電堆初始溫度、進氣溫度等。

文獻[7]中已論證恒電壓低溫起動模式優于恒電流起動模式，故本文不再考慮恒電流低溫起動模式。圖5為燃料電池系統從-5℃以恒電壓模式低溫起動的仿真結果。從圖5中可以看出，以不同的起動電壓進行低溫起動，電堆電流與溫度的增加趨勢大致相同。30 V恒電壓起動時，系統運行90 s電堆溫度達到約45℃，電堆溫度上升到0℃耗時約14 s；40 V恒電壓起動時，系統運行90 s電堆溫度達到約25℃，電堆溫度上升到0℃耗時約20 s。同時，圖5(a)中的電堆電流值明顯比圖5 (b)的要大，圖5(c)也顯示，30 V起動電堆的溫升速率明顯比40 V的要大，表明其發熱功率較大。綜上所述，較低的起動電壓更有利于電堆低溫起動。

圖5 -5℃時不同起動電壓對低溫起動過程的影響

圖6為實驗室實測的燃料電池系統不同起動電壓下的起動結果。由圖6可知，30 V恒電壓起動時，電堆溫度上升到0℃大約耗時35 s；40 V恒電壓起動時，電堆溫度上升到0℃大約耗時63 s。同時，圖6(a)中的電堆電流值明顯比圖6(b)中的電流值要大；圖6(a)中的電壓值下降后緩慢上升，而圖6(b)中的電壓值呈現不穩定上升的情況，這是由于40 V恒電壓起動時，燃料電池電流較小，致使電池發熱量較小，不足以融化電化學反應生成水所凍結成的冰，導致燃料電池內部反應不均勻。這也證實了仿真得到的低起動電壓更加有利于低溫起動。

圖6 -5℃恒電壓低溫起動實驗結果

圖7(a)為燃料電池電堆從-10℃以30 V恒電壓進行低溫起動的仿真結果。該仿真中燃料電池系統運行90 s后電堆溫度達到約32℃，電堆溫度上升到0℃耗時約30 s。將圖7(a)與圖7(b)進行對比，得到圖7(c)，可以看出，同樣是30 V恒電壓起動，起動時溫度越低，燃料電池系統中電堆電流越低，溫升越慢，而起動也越困難。

圖7 不同電堆初始溫度對30 V恒電壓低溫起動的影響

圖8為不同進空氣溫度對低溫起動過程影響的仿真結果，仿真對電堆入口空氣分別為低溫-10℃、常溫20℃與高溫50℃的情況進行了對比。結果顯示，較高的進氣溫度對燃料電池低溫起動性能可以提供一定程度的幫助但并不顯著，溫度越高，燃料電池電堆的溫升速率越高，但差距較小。這表明由于空氣比熱較小，進氣加熱對燃料電池低溫起動意義不大。因此，在車用燃料電池系統低溫起動過程中可以忽略進氣溫度的影響。

圖8 不同進氣溫度對低溫起動性能的影響

3 結論

本文利用AMESim一維系統仿真研究了燃料電池系統在低溫環境中的起動能力受不同影響因素的影響。研究結果顯示，較低的起動電壓能夠有效提升燃料電池的低溫起動性能。另外，外界環境溫度越低，燃料電池實現低溫起動就會更加困難。研究還發現，燃料電池的進氣溫度對于燃料電池低溫起動性能并沒有太大影響，可以忽略。

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Simulation of cold start of PEM fuel cell system

Increasing attention is paid to fuel cell vehicles, but there are many problems to be solved before the commercialization of fuel cell vehicles,and the cold start process of the fuel cell systems is of great difficulty among all the problems.A one-dimensional model of fuel cell system was developed by using AMESim,and the influence factors of cold start process of fuel cell system were studied.The results show that the lower voltage is beneficial to cold start;the lower temperature of fuel cell will enlarge the difficulty of cold start;the temperature of reaction gas doesn't have much effect on the cold start process.

PEMFC;AMESim;cold start;simulation

TM 911

A

1002-087 X(2016)06-1202-03

2015-12-25

國家科技支撐計劃(2015BAG06B01)

李義(1984—)，男，湖北省人，博士研究生，主要研究方向為燃料電池系統集成與低溫起動。

許思傳，博士生導師，E-mail:scxu@tongji.edu.cn