燃料电池冷启动

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1、质子交换膜燃料电池 的冷启动研究 课題名称：PEMFCs cold start 演示者：汽车学院新能源专业 概况 PEMFC冷启动概述 PEMFC冷启动水问题研究 V J PEMFC冷启动方案研究 \ 冷启动概述 冷启动概述 1何为燃料电池冷启动？ III 一般来说在冰点以下的温度启动为冷启动 2为什么要研究冷启动？ 2 l=i 随着化石等传统能源的紧缺与全球气候不断变暖

2、，人类面临着巨大的 能源危机与生存危机。亟需寻求新型、高效、清洁能源来逐步替代传 统能源以应对能源危机。燃料电池以其优异的性能成为世界各个国家 研究的热点，在发电，移动电源，车载电源上发挥了巨大作用。燃料 电池汽车的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，除了 电池耐久性和成本因素，提高低温启动性能也是关键问题之一。 3冷启动中的主要问题？ =| III 当燃料电池内的温度低于冰点时，燃料电池工作产生的水会发生冻结O =| III 在电池内的温度上升到零度之前，催化层内的水如果发生冻结，电化 学反应将会因反应区域的冰封而停止，同时冰的形成由于体积膨胀可 能会对膜电极组件的结

3、构产生严重的破坏。 4燃料电池汽车冷启动现状 现有的大多数燃料电池系统冷启动需要辅助方法，例如辅助电源加热、冷却介 质加热、热气体吹扫、氢气氧气电池内部直接接触反应等。无辅助方法的冷启 动性能需要进一步显著提高，因为辅助冷启动会增加系统的体积和重量，同时 还有操作的复杂性和附加成本。在冷启动这一方面的实验与仿真研究并不是很 多，尤其是无辅助热源的冷启动需要更多的研究与努力。奔驰、丰田等大型汽 车公司鄒在致力于提高冷启动的性能研究，下图是一些不同低温下的启动时间O 60 Cold start Canada -20 0」 -30 0 Japan ■ 40 20 ＞温

4、度/c 时间/s 低温启动水研究 PEMFC系统水的来源? 1气体加湿和膜增湿的水分 2燃料电池内部电化学反应产生的水 3大功率电堆的循环水 水的在PEM中的传递 ■邑 IT ANODE Membrane HQ . GDL > Flow channel—- OUT PEMFC内水的冻结 由水的形成与传递机理可以看出，水的冻结可以发生在 CL、GDL和流道中, ・ F面分别介绍这几种冻结方式。

5、 Flow channel supplied gas flow direction GDL CL 电化学反应产生的水由于冷启动温度过低导致催化层 内的水还没来得及扩散出去就已经发生了冻结，进而 覆盖了催化活性表面，阻碍了电化学反应的进行，导 致电流密度变小，产热减少，引起冷启动失败。 iemperaiure decreasing from CL -0 Fow charme- PEMFC内水的冻结 Flow ch

6、annel supplied gas flow direction GDL CL 此过程中，CL内的水没有发生冻结，处于液态 状。当传递到GDL时，由于传递过程中温度的 降低，水发生冻结，导致流道内的气体很难进入 CL,阻碍了电化学反应，使得冷启动失败。这 种现象只发生在一定的温度范围之内。 emperaure decreasing from CL io Fow channe 一 PEMFC内水的冻结 emperau

7、re decreasing from CL io Fow channe 一 这个过程和第二个过程类似，GDL层和流道很 近，研究者发现成功的冷启动温度大约为・5摄氏 度，此过程大约发生在・7摄氏度左右。 冻结过程小结 催化层内水的冻结是引起冷启动失败的最主要因素， 而在气体扩散层和流道内的水冻结仅仅发生在一个很 小的温度范围内，此时催化层内的温度高于零度，而 气体扩散层和流道内的温度低于零度。然而，阴极催 化层内出现冻结现象，而气体扩散层和流道内却没有 明显的结冰现象。 现在广泛应用的nafion质子交换膜，由于其特殊的化 学结构，必须保证膜中具有一定的水分，否则会影响 电化学反应

8、的进行。同时，膜中水的含量也是影响膜 导电率的重要因素。然而膜中的含水量或者燃料电池 中的含水量不能过多，则在冷启动之前多余的水就会 发生冻结，影响电池性能，导致冷启动失败。 低温启动时的水量变化 低温启动时的水量变化 电池中的含水量 吹扫除水 突破零度，低温 启动成功 III 无法突破零度, 低温启动失败 容许舎水量指的是种•么・?■・ •・容许含水量 停止后 扫气后 冷启动后 :温升到oc,水的生成量

9、 既然冷启动之前，燃料电池含水量不能多也不能少, 可能存在一个平衡点，而这个平衡点最有利于冷启动 的性能。 alance? what we concern is how to find this balance! 燃料电池冷启动融冰问题 保证燃料电池在低温下能成功启动运行，则电化学反应产热 融冰的速率必须大于等于生成水冻结成冰的速度。 Heat generation Power generation

10、 怎样实现rapid star-up 活化过电势 阻抗过电势 浓差过电势 空气化学计量比 水平衡 Target：气体加湿水+电化学产水=随气体排出的水 气体加湿水 排水 Water in MEA t ■电化学反应产水 Air flow ■ H、0 ■ ■ ■ ■ • ■ ■ ■ H+ ■ ■ • ► ■ • ■ • H、0 ■ ■ ■ ■ ■ ■ • ■ • ■ PEMFC水的产生集中在阴 极，及时将电化学反应生 成的水排出是冷启动的必 要环节之

11、一。由于生成的 水是随气体一起排出系统, 可以根据不同的冷启动温 度，通过调节空气侧的流 速以达到电池内水的平衡O Cathod 冷扈动方案 现有PEMFC冷启动策略分为不借助任何外加能量实 现电池冷启动成功的自启动策略和借助某种或某几种 外加辅助手段帮助电池冷启动成功的辅助启动策略。 III 自启动策略能够很好的控制整个燃料电池系统的成本 和复杂程度，但电池冷启动性能不高，可用温度范围 也较窄。 而辅助启动策略虽然增

12、加了系统的成本和复杂程度并 降低了系统的可靠性，但能够保证电池更高的冷启动 可靠性和更好的冷启动性能。 典型冷启动过程 阶段一：燃料电池冷启动过程开始，随着反应的开始，电 池阴极侧开始产生水，电池阴极侧催化层的含水量也因此而 升高，直至达到饱和。此阶段没有冰生成。 阶段二：一旦阴极催化层达到饱和，再生成的水就会在催 化层中结冰并开始堆积。同时，产生的热会使电池的温度上 升。如果电池温度在催化层完全被冰覆盖之时仍低于冰点，燃 料电池就会停机。这标志着冷启动失败。如果电池温度在阴极 催化层全部被冰覆盖前达到了冰点，冰开始融化，融化过程吸 收的热量使电池温度维持在冰点，直至所有冰全部融化。 III 阶段三：当阴极催化层所有冰融化后，电池温度开始再次 上升，并继续上升至正常操作温度。此时，电池冷却系统开始 工作 利用能源或 电源 传感器控制 PEMFC保温策略 绝热处理 绝热箱 体积绝热 催化燃烧 低功率运转 电加热 冰冻判断 能量利用策略控制 PEMFC加热解冻策略 除水和吹扫 控制反应加湿 排水 再加湿 加湿控制 内部加热 流道中烧氢 催化反应加热 MEA电阻加热 外部加热 冷却液加热 热空气吹扫 附件加热 保温箱 燃烧室 压缩机