李 義，許思傳，許 澎

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)仿真

李 義1,2，許思傳1,2，許 澎1,2

(1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海201804)

當(dāng)前燃料電池汽車受到越來越多的關(guān)注，而燃料電池汽車商業(yè)化還有很多問題亟需解決，其中燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)是一個(gè)重點(diǎn)難題。使用AMESim軟件建立了一個(gè)燃料電池一維系統(tǒng)模型，針對(duì)影響燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)性能的各個(gè)因素進(jìn)行了研究。仿真結(jié)果顯示，較低的起動(dòng)電壓有利于低溫起動(dòng)過程，溫度越低低溫起動(dòng)越困難，反應(yīng)氣體的溫度對(duì)低溫起動(dòng)過程影響不大。

質(zhì)子交換膜燃料電池；AMESim；低溫起動(dòng)；仿真

近年來，環(huán)境和能源的現(xiàn)狀給汽車行業(yè)提出了更高的要求，越來越多的國家和公司開始轉(zhuǎn)向新能源汽車產(chǎn)業(yè)。新能源汽車包括純電動(dòng)汽車、混合動(dòng)力汽車和質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）汽車。與傳統(tǒng)汽車相比，燃料電池汽車的優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在其零排放、無溫室氣體產(chǎn)生、不使用石油、能量轉(zhuǎn)換效率高、運(yùn)行穩(wěn)定和無振動(dòng)噪聲等。燃料電池汽車要想要獲得與傳統(tǒng)汽車相競(jìng)爭(zhēng)的能力，必須能夠適應(yīng)各種外界環(huán)境條件，這就給燃料電池系統(tǒng)提出了更高的要求，涉及到燃料電池低溫起動(dòng)的研究。世界各地很多研究機(jī)構(gòu)和研究人員都在開展低溫起動(dòng)相關(guān)研究。

仿真研究方面，Sundaresan和Moore[1]開發(fā)了一個(gè)燃料電池電堆的冷起動(dòng)分析模型，通過能量守恒和熱量轉(zhuǎn)移分析，這個(gè)一維模型預(yù)測(cè)了電堆各個(gè)電池的溫度，同時(shí)揭示了端板熱流量和加熱方法對(duì)冷起動(dòng)的影響。Manish等[2]建立了一個(gè)燃料電池電堆瞬態(tài)一維熱模型，模擬了低溫起動(dòng)過程中電堆內(nèi)溫度分布的變化情況以及運(yùn)行電流、雙極板/冷板、端板、擴(kuò)散介質(zhì)等因素對(duì)低溫起動(dòng)的影響。Meng[3-4]分別使用三維和二維低溫起動(dòng)模型來研究燃料電池的恒溫低溫起動(dòng)特性，模擬了恒電流低溫起動(dòng)和恒電壓低溫起動(dòng)過程。Ko和Ju[5]則開發(fā)了一個(gè)多相瞬態(tài)模型來研究PEMFC低溫起動(dòng)過程中的物理現(xiàn)象和傳遞現(xiàn)象。賓夕法尼亞州立大學(xué)的Mao等[6]也建立了一個(gè)三維多相模型來研究等溫低溫起動(dòng)過程，他們使用該模型預(yù)測(cè)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(tǒng)的角度出發(fā)，仿真系統(tǒng)低溫起動(dòng)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(yù)測(cè)燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)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(dòng)過程，為此對(duì)PEMFC低溫起動(dòng)仿真系統(tǒng)模型中的輔助系統(tǒng)做出如下簡(jiǎn)化：(1)簡(jiǎn)化燃料電池水循環(huán)子系統(tǒng)；(2)空氣系統(tǒng)中利用氣體源項(xiàng)代替鼓風(fēng)機(jī)。

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

1.2 系統(tǒng)模塊簡(jiǎn)介

1.2.1 燃料電池電堆

PEMFC低溫起動(dòng)系統(tǒng)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(yè)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(cè)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(qū)動(dòng)外電路負(fù)載或者提供不同的外界工況；端口6、7是陰極側(cè)空氣的輸入、輸出端，為燃料電池電堆提供氧化劑。

圖1 質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)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(shù)如表1所示。

在一維仿真平臺(tái)中，PEMFC被認(rèn)為是一個(gè)由石墨構(gòu)成的均勻的具有穩(wěn)定熱特性的固體，其參數(shù)定義如表2所示，主要為物質(zhì)的密度、比熱容和導(dǎo)熱系數(shù)。

表1 燃料電池電堆模型參數(shù)

表2 燃料電池電堆物質(zhì)參數(shù)

1.2.2 其他模塊

本文所涉及的燃料電池系統(tǒng)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(fēng)機(jī)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(biāo)，它表明了在某一工作條件下燃料電池的電流所對(duì)應(yīng)的電壓值。而對(duì)于本仿真，極化曲線也是一個(gè)極為重要的參數(shù)。同時(shí)考慮到低溫起動(dòng)過程中，燃料電池性能會(huì)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(shí)驗(yàn)實(shí)測(cè)的50℃下燃料電池性能數(shù)據(jù)，并利用Matlab中“l(fā)sqcurvefit”優(yōu)化工具對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線性曲線擬合，擬合出適合本實(shí)驗(yàn)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(dá)到0.65 A/cm2，電堆電流值可以高達(dá)162.5 A。而在現(xiàn)有條件下，電堆輸出電流是無法達(dá)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(duì)活化電壓損失與濃差電壓損失呈線性影響，電池溫度對(duì)電池的質(zhì)子傳導(dǎo)率呈指數(shù)影響，即溫度對(duì)歐姆電壓損失呈指數(shù)影響。本仿真在之前的20℃擬合極化特性曲線基礎(chǔ)上，提出適應(yīng)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(shù)學(xué)表達(dá)式：

公式(1)中的參數(shù)是基于一定的精度范圍和參數(shù)范圍。據(jù)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(jié)果與討論

燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)過程的影響因素有很多，包括流場(chǎng)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(dòng)仿真模型主要從系統(tǒng)的角度考慮不同因素對(duì)燃料電池低溫起動(dòng)性能的影響，包括起動(dòng)電壓、電堆初始溫度、進(jìn)氣溫度等。

文獻(xiàn)[7]中已論證恒電壓低溫起動(dòng)模式優(yōu)于恒電流起動(dòng)模式，故本文不再考慮恒電流低溫起動(dòng)模式。圖5為燃料電池系統(tǒng)從-5℃以恒電壓模式低溫起動(dòng)的仿真結(jié)果。從圖5中可以看出，以不同的起動(dòng)電壓進(jìn)行低溫起動(dòng)，電堆電流與溫度的增加趨勢(shì)大致相同。30 V恒電壓起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行90 s電堆溫度達(dá)到約45℃，電堆溫度上升到0℃耗時(shí)約14 s；40 V恒電壓起動(dòng)時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行90 s電堆溫度達(dá)到約25℃，電堆溫度上升到0℃耗時(shí)約20 s。同時(shí)，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(dòng)電堆的溫升速率明顯比40 V的要大，表明其發(fā)熱功率較大。綜上所述，較低的起動(dòng)電壓更有利于電堆低溫起動(dòng)。

圖5 -5℃時(shí)不同起動(dòng)電壓對(duì)低溫起動(dòng)過程的影響

圖6為實(shí)驗(yàn)室實(shí)測(cè)的燃料電池系統(tǒng)不同起動(dòng)電壓下的起動(dòng)結(jié)果。由圖6可知，30 V恒電壓起動(dòng)時(shí)，電堆溫度上升到0℃大約耗時(shí)35 s；40 V恒電壓起動(dòng)時(shí)，電堆溫度上升到0℃大約耗時(shí)63 s。同時(shí)，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(xiàn)不穩(wěn)定上升的情況，這是由于40 V恒電壓起動(dòng)時(shí)，燃料電池電流較小，致使電池發(fā)熱量較小，不足以融化電化學(xué)反應(yīng)生成水所凍結(jié)成的冰，導(dǎo)致燃料電池內(nèi)部反應(yīng)不均勻。這也證實(shí)了仿真得到的低起動(dòng)電壓更加有利于低溫起動(dòng)。

圖6 -5℃恒電壓低溫起動(dòng)實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖7(a)為燃料電池電堆從-10℃以30 V恒電壓進(jìn)行低溫起動(dòng)的仿真結(jié)果。該仿真中燃料電池系統(tǒng)運(yùn)行90 s后電堆溫度達(dá)到約32℃，電堆溫度上升到0℃耗時(shí)約30 s。將圖7(a)與圖7(b)進(jìn)行對(duì)比，得到圖7(c)，可以看出，同樣是30 V恒電壓起動(dòng)，起動(dòng)時(shí)溫度越低，燃料電池系統(tǒng)中電堆電流越低，溫升越慢，而起動(dòng)也越困難。

圖7 不同電堆初始溫度對(duì)30 V恒電壓低溫起動(dòng)的影響

圖8為不同進(jìn)空氣溫度對(duì)低溫起動(dòng)過程影響的仿真結(jié)果，仿真對(duì)電堆入口空氣分別為低溫-10℃、常溫20℃與高溫50℃的情況進(jìn)行了對(duì)比。結(jié)果顯示，較高的進(jìn)氣溫度對(duì)燃料電池低溫起動(dòng)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(jìn)氣加熱對(duì)燃料電池低溫起動(dòng)意義不大。因此，在車用燃料電池系統(tǒng)低溫起動(dòng)過程中可以忽略進(jìn)氣溫度的影響。

圖8 不同進(jìn)氣溫度對(duì)低溫起動(dòng)性能的影響

3 結(jié)論

本文利用AMESim一維系統(tǒng)仿真研究了燃料電池系統(tǒng)在低溫環(huán)境中的起動(dòng)能力受不同影響因素的影響。研究結(jié)果顯示，較低的起動(dòng)電壓能夠有效提升燃料電池的低溫起動(dòng)性能。另外，外界環(huán)境溫度越低，燃料電池實(shí)現(xiàn)低溫起動(dòng)就會(huì)更加困難。研究還發(fā)現(xiàn)，燃料電池的進(jìn)氣溫度對(duì)于燃料電池低溫起動(dòng)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(jì)劃(2015BAG06B01)

李義(1984—)，男，湖北省人，博士研究生，主要研究方向?yàn)槿剂想姵叵到y(tǒng)集成與低溫起動(dòng)。

許思傳，博士生導(dǎo)師，E-mail:scxu@#edu.cn