充電機(jī)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(diǎn)擊：
充電機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)行，充電機(jī)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(jī)充電蓄電池堆更快達(dá)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(jī)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(diǎn)[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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(jī)充電蓄電池性能，是車用充電機(jī)充電燃料蓄電池應(yīng)用的研究重點(diǎn)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(jī)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(jī)充電蓄電池性能迅速衰退。現(xiàn)有研究中較多關(guān)注了0℃以下低溫啟動的機(jī)理和性能。
K. Jiao等[9,10]通過實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行，一方面生成的水會進(jìn)入膜中，提高其電導(dǎo)率；另一方面充電機(jī)充電蓄電池工作產(chǎn)生的熱量使溫度升高，反應(yīng)活性進(jìn)一步增強(qiáng)。
另外，一些實(shí)驗(yàn)通過可視化技術(shù)觀測了充電機(jī)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(jī)充電燃料蓄電池實(shí)驗(yàn)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(jī)充電燃料蓄電池數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，相比于實(shí)驗(yàn)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(jì)和從機(jī)理出發(fā)進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程。
因?yàn)椋孩佻F(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(shí)際應(yīng)用中的絕大部分情況。因此本研究對實(shí)用的車用充電機(jī)充電燃料蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)充電蓄電池堆多相流模型詳細(xì)涵蓋了充電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確度。基于本模型研究了充電機(jī)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(dá)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(jī)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(jìn)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(kuò)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(bǔ)充到MEA中。
實(shí)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(jī)充電蓄電池堆快速達(dá)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(jìn)行，充電機(jī)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(jī)充電蓄電池堆更快達(dá)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(jī)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(diǎn)[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(yùn)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(jī)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(diǎn)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(jī)充電蓄電池性能，是車用充電機(jī)充電燃料蓄電池應(yīng)用的研究重點(diǎn)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(jī)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(jī)充電蓄電池性能迅速衰退。現(xiàn)有研究中較多關(guān)注了0℃以下低溫啟動的機(jī)理和性能。
K. Jiao等[9,10]通過實(shí)驗(yàn)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(jī)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(jìn)行，一方面生成的水會進(jìn)入膜中，提高其電導(dǎo)率；另一方面充電機(jī)充電蓄電池工作產(chǎn)生的熱量使溫度升高，反應(yīng)活性進(jìn)一步增強(qiáng)。
另外，一些實(shí)驗(yàn)通過可視化技術(shù)觀測了充電機(jī)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(jī)充電燃料蓄電池實(shí)驗(yàn)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(jī)充電燃料蓄電池數(shù)學(xué)模型進(jìn)行研究，相比于實(shí)驗(yàn)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(jì)和從機(jī)理出發(fā)進(jìn)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(jī)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(jī)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(jī)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(dá)到穩(wěn)定工作狀態(tài)的過程。
因?yàn)椋孩佻F(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(shí)際應(yīng)用中的絕大部分情況。因此本研究對實(shí)用的車用充電機(jī)充電燃料蓄電池系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jī)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(jī)充電蓄電池堆多相流模型詳細(xì)涵蓋了充電機(jī)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(shí)驗(yàn)結(jié)果的對比，驗(yàn)證了模型的準(zhǔn)確度。基于本模型研究了充電機(jī)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(dá)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(jī)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(jìn)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(kuò)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(bǔ)充到MEA中。
實(shí)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(jī)充電蓄電池堆快速達(dá)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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