研究背景

燃料電池的低溫啟動能力已成為制約燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸之一。為了提高質(zhì)子交換膜燃料電池的冷啟動性能和耐久性，有必要對燃料電池冷啟動過程中內(nèi)部傳熱傳質(zhì)、水的相變和電化學(xué)過程進(jìn)行研究。

本研究建立了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）冷啟動過程中水、熱、電子和質(zhì)子傳遞的一維瞬態(tài)模型?；诳刂企w積法，分別對燃料電池各計(jì)算域進(jìn)行離散，將燃料電池低溫冷啟動過程中偏微分方程進(jìn)行簡化為常微分方程。隨后對簡化后的冷啟動模型關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識。對辨識后的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，驗(yàn)證了低溫冷啟動簡化模型的精度。

冷啟動數(shù)值模型

在本研究中，通過考慮冷啟動中各種物理和化學(xué)過程，包括電化學(xué)反應(yīng)、電荷傳輸、氣體組分輸運(yùn)、傳熱和水相變化等，建立了一個模擬PEMFC的冷啟動過程的一維數(shù)學(xué)模型，該模型僅考慮通過膜的方向。

圖1. 燃料電池冷啟動數(shù)值模型

模型降維簡化與參數(shù)辨識

基于控制體積法，參考圖2，將燃料電池單體按各部件離散為計(jì)算域，計(jì)算各離散空間物質(zhì)和能量傳輸通量，從而建立燃料電池冷啟動降維模型。

圖2. a) 燃料電池電堆, b) 單體燃料電池建模域, c) 控制體積空間離散

燃料電池低溫冷啟動過程中，由于存在端板等大熱容部件和相鄰單體之間熱傳遞，影響燃料電池溫度分布。對于燃料電池?zé)崮Ｐ秃喕?，需要考慮端板等影響。參考圖3將燃料電池各單體和端板等部件各作為一個控制單元進(jìn)行離散，建立燃料電池電堆簡化熱模型。

根據(jù)建立的燃料電池冷啟動簡化模型，選取燃料電池等溫單體輸出電壓和電堆升溫冷啟動輸出電壓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比，進(jìn)行參數(shù)辨識，目標(biāo)函數(shù)與待辨識變量選取如下：

表1. 辨識參數(shù)

模型驗(yàn)證

首先對燃料電池單體進(jìn)行了恒溫冷啟動研究，對比分析在初始膜水含量和電流密度分別為：λ=4，I=100mA/cm2;λ=4，I=300mA/cm2;λ=5.7，I=100mA/cm2;λ=7.3，I=100mA/cm2;λ=4，I=200mA/cm2;λ=4，I=400mA/cm2;λ=4，I=500mA/cm2等工況下模型輸出電壓與實(shí)驗(yàn)電壓對比。簡化模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

圖4. 恒溫冷啟動模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比

其次對燃料電池電堆進(jìn)行了冷啟動研究，對比分析在初始膜水含量和電流密度分別為：λ=4，I=400mA/cm2;λ=4，I=500mA/cm2;λ=4，I=15mA/cm2/s等三種工況下燃料電池冷啟動性能。從模型電壓與溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對比可以看出，簡化模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。但是由于燃料電池電堆升溫過程，結(jié)冰形貌特征不同，在催化劑層覆蓋，造成冷啟動失敗時電壓曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在不一致。

統(tǒng)計(jì)分析燃料電池降維簡化模型在各工況下模型輸出電壓與溫度平均誤差如下所示，模型誤差均在10%以內(nèi)，能夠滿足工程應(yīng)用需要。

表2.模型誤差分析

結(jié) 論

本研究建立了燃料電池低溫冷啟動簡化模型，在保證模型精度的情況下，提高冷啟動模型的計(jì)算速率，為后續(xù)燃料電池低溫冷啟動在線應(yīng)用提供了條件。

審核編輯 ：李倩