質(zhì)子交換膜燃料電池吹掃除水與低溫冷啟動研究.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、冷啟動以及低溫耐久性是限制其商業(yè)化的關(guān)鍵性問題之一，也是當(dāng)前燃料電池研究中一個極具挑戰(zhàn)性的前沿方向。論文采用試驗和模擬方法對單電池低溫操作的預(yù)除水措施和冷啟動特性進(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，然后通過干空氣吹掃除水

2、的方式對單電池內(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除水效果的影響，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行單電池冷啟動試驗，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電池性能沒有產(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/陽極流量：1.5/0.5、1.2/0.4、0.9/0.3NLPM)中，陽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；在吹掃時間上，可以采用小流量吹掃，但須適當(dāng)延長二次間斷吹掃第二段的吹掃時間。 (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性能。二次吹掃流量越大，電池內(nèi)水含量越低，電池啟動時的初始內(nèi)阻越高，即歐姆極化越大，導(dǎo)致電池啟動時間越長、啟動電壓越低。經(jīng)過流量設(shè)置為陰極1.5NLPM、陽極0.5NLPM干空氣二次吹掃除水處理后，單電池可

4、以成功實現(xiàn)-10℃冷啟動。但由于單電池與環(huán)境熱交換過大和其自身熱質(zhì)量過小，導(dǎo)致冷啟動過程中電池溫度無升高，僅能穩(wěn)定運(yùn)行。對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)化電池的冷啟動性能。 基于CFD方法研究了吹掃除水過程參數(shù)(吹掃氣體溫度、吹掃氣體流速、電池溫度)對除水效果的影響。模擬計算結(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，電池溫度對吹掃除水效果起著決定性的影響，吹掃氣體流速對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吹掃除水效果影響較小。 考慮到在研究者冷啟動試驗中使用的燃料電池組件在結(jié)構(gòu)上差別較大，導(dǎo)致冷啟動過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℃以下的等溫冷啟動過程，并試驗研究了單電池0℃以上的等溫啟動性能。研究發(fā)現(xiàn)，單電池0℃以上等溫啟動性能隨溫度升高而逐漸升高，