質(zhì)子交換膜燃料電池吹掃除水與低溫冷啟動(dòng)研究.pdf

1、質(zhì)子交換膜燃料電池(PEMFC：ProtonExchangeMembraneFuelCell)具有能量轉(zhuǎn)化效率高、工作溫度較低、無(wú)污染、比功率大等優(yōu)點(diǎn)。PEMFC在0℃以下溫度環(huán)境中的低溫保存、冷啟動(dòng)以及低溫耐久性是限制其商業(yè)化的關(guān)鍵性問(wèn)題之一，也是當(dāng)前燃料電池研究中一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的前沿方向。論文采用試驗(yàn)和模擬方法對(duì)單電池低溫操作的預(yù)除水措施和冷啟動(dòng)特性進(jìn)行了研究。 論文首先分析了燃料電池的產(chǎn)水和產(chǎn)熱原理，然后通過(guò)干空氣吹掃除水

2、的方式對(duì)單電池內(nèi)的初始水含量進(jìn)行控制，考察研究了吹掃除水氣體流量對(duì)除水效果的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單電池冷啟動(dòng)試驗(yàn)，得到以下結(jié)論： (1)適當(dāng)流量的干空氣二次吹掃可以在較短時(shí)間里經(jīng)濟(jì)有效的移除電池內(nèi)的水，并且二次吹掃除水對(duì)電池性能沒(méi)有產(chǎn)生不可恢復(fù)的損傷。在三種不同流量的吹掃除水方案(陰極流量/陽(yáng)極流量：1.5/0.5、1.2/0.4、0.9/0.3NLPM)中，陽(yáng)極除水總量隨吹掃流量變化不明顯，而陰極除水總量隨吹掃氣體的流量增加而

3、增加。因此，在吹掃流量上，陽(yáng)極吹掃流量可以適當(dāng)降低，而陰極應(yīng)保持較大流量；在吹掃時(shí)間上，可以采用小流量吹掃，但須適當(dāng)延長(zhǎng)二次間斷吹掃第二段的吹掃時(shí)間。 (2)二次吹掃造成的水含量變化影響電池的歐姆極化，進(jìn)而影響燃料電池的冷啟動(dòng)性能。二次吹掃流量越大，電池內(nèi)水含量越低，電池啟動(dòng)時(shí)的初始內(nèi)阻越高，即歐姆極化越大，導(dǎo)致電池啟動(dòng)時(shí)間越長(zhǎng)、啟動(dòng)電壓越低。經(jīng)過(guò)流量設(shè)置為陰極1.5NLPM、陽(yáng)極0.5NLPM干空氣二次吹掃除水處理后，單電池可

4、以成功實(shí)現(xiàn)-10℃冷啟動(dòng)。但由于單電池與環(huán)境熱交換過(guò)大和其自身熱質(zhì)量過(guò)小，導(dǎo)致冷啟動(dòng)過(guò)程中電池溫度無(wú)升高，僅能穩(wěn)定運(yùn)行。對(duì)吹掃除水策略的參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化控制可以進(jìn)一步優(yōu)化電池的冷啟動(dòng)性能。 基于CFD方法研究了吹掃除水過(guò)程參數(shù)(吹掃氣體溫度、吹掃氣體流速、電池溫度)對(duì)除水效果的影響。模擬計(jì)算結(jié)果表明，吹掃除水的氣體參數(shù)和電池的參數(shù)嚴(yán)重影響著除水效果。其中，電池溫度對(duì)吹掃除水效果起著決定性的影響，吹掃氣體流速對(duì)除水效果有一定影響，在電

5、池溫度較高的條件下吹掃氣體溫度對(duì)吹掃除水效果影響較小。 考慮到在研究者冷啟動(dòng)試驗(yàn)中使用的燃料電池組件在結(jié)構(gòu)上差別較大，導(dǎo)致冷啟動(dòng)過(guò)程中溫升速率差別較大，不具有通用意義。值得注意的是，燃料電池相同溫度的性能是相同的，按照溫度升高次序連接各溫度下燃料電池的等溫啟動(dòng)性能可以獲得具有通用意義的數(shù)據(jù)。因此論文分析了0℃以下的等溫冷啟動(dòng)過(guò)程，并試驗(yàn)研究了單電池0℃以上的等溫啟動(dòng)性能。研究發(fā)現(xiàn)，單電池0℃以上等溫啟動(dòng)性能隨溫度升高而逐漸升高，