质子交换膜燃料电池低温启动水热平衡特性

doi:10.13229/j.cnki.jdxbgxb20220100

摘要/Abstract

摘要：

针对质子交换膜燃料电池（PEMFC）冷启动过程中水热不平衡导致的积冰和停机现象，从系统产热和传热特性机理研究出发，搭建了电池内部传热和温度计算的数值模型；分析了不同冰体积下系统产热和散热的演变规律；建立了预测冷启动停机的水热平衡条件；研究了不同电流密度等系统参数对启动性能的影响。结果表明：系统产热与散热相同时，系统产热将低于冰融化潜热，导致停机；高电流密度能提升膜电极温度，降低对外层换热，有利于缩短冷启动时间。

关键词: 车辆工程, 燃料电池, 冷启动, 数值模型, 水热平衡特性

Abstract:

Aiming at the phenomenon of ice accretion and shutdown caused by the imbalance of water and heat during the cold start-up of proton exchange membrane fuel cell， a numerical model for heat transfer and temperature calculation of the cell is established based on the study of the mechanism of heat generation and heat transfer characteristics of the system. The evolution law of heat generation and heat dissipation of the system under different ice volumes is analyzed， the water and heat balance conditions for predicting cold start shutdown is established， and the effects of system parameters such as current densities on start-up performance are studied. The results show that when the heat generation and heat dissipation of the system are the same， the heat generation of the system will be lower than the latent heat of ice melting， resulting in shutdown. The high current density can increase temperature of the membrane electrode and reduce the heat transfer to the outer layer， which is beneficial to shorten the cold start time.

Key words: vehicle engineering, fuel cell, cold start, numerical model, hydrothermal characteristics

中图分类号:

TM911.4

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图/表 10

表1

图1

表2

传热关系表达式"

层	表达式（i=a/c）		注释
MEA	产热：散热：温度：	$Q ˙ g e n e r a t e = Q ˙ r e v + Q ˙ i r r e v + Q ˙ s g$ $Q ˙ i, l o s s = h m e m, G D L A i T m e m - T i, G D L$ $C m e a m m e a d T m e a = Q ˙ g e n e r a t e - Q ˙ l o s s$	假设不存在过冷水。其中， $Q ˙ i, l o s s$ 为从膜传至GDL的热； $h m e m, G D L$ 为两层结构之间的传热系数； $A i$ 为传热面积； $C m e a$ 为比热容； $m m e a$ 为质量； $T m e a$ 为温度。
GDL	吸热：散热：温度：	$Q ˙ i, G D L, g e n = Q ˙ i, l o s s = h m e a, G D L A i T m e m - T i, G D L$ $Q ˙ i, G D L, g a s = h G D L, g a s A G D L T i, G D L - T i, g a s$ $Q ˙ i, G D L, B P = h G D L, B P A G D L, B P T i, G D L - T i, B P$ $C G D L m G D L d T i, G D L = Q ˙ i, G D L, g e n - Q ˙ i, G D L, l o s s$	GDL中没有冰产生。 $Q ˙ i, G D L, g e n$ 为GDL吸收的热， $Q ˙ i, G D L, g a s$ 为从GDL传至GAS的热； $Q ˙ i, G D L, B P$ 为从GDL传至BP的热。
GAS	吸热：散热：温度：	$Q ˙ i, g a s, g e n = (m ˙ c) i, i n T i, g a s, i n + Q ˙ i, G D L, g a s$ $Q ˙ i, g a s, o u t = (m ˙ C) i, g a s, o u t T i, g a s, o u t$ $Q ˙ i, g a s, B P = h g a s, B P A B P T i, g a s - T i, B P$ $C i, g a s m i, g a s d T i, g a s = Q ˙ i, g a s, g e n - Q ˙ i, g a s, l o s s$	气体通道中的温度分布简化为线性分布。 $T i, g a s, i n$ 为气体流道入口的温度； $T i, g a s, o u t$ 为气体流道出口的温度。
BP	吸热：散热：温度：	$Q ˙ i, B P, g e n = Q ˙ i, g a s, B P + Q ˙ i, G D L, B P$ $Q ˙ i, B P, c l a n t = h B P, c l a n t A B P T i, B P - T i, c l a n t$ $C i, B P m i, B P d T i, B P = Q ˙ i, B P, g e n - Q ˙ i, B P, l o s s$
CLANT	温度：	$C i, c l a n t m i, c l a n t d T i, c l a n t = Q ˙ i, B P, c l a n t$	冷却循环关闭。

表2

图2

图3

图4

图5

图6

图7

图8

参考文献 12

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参数	值	单位
反应面积A	235×10^-4	m²
质子交换膜、CL、GDL的厚度	0.178、0.01、0.2	mm
通道的长度、宽度、深度、肋宽	100、1、1、1	mm
CL、GDL的接触角θ	110、110	°
CL、GDL的渗透率K₀	1.0×10^-13、1.0×10^-12	m²
质子交换膜的等效质量EW	1.1	kg/mol
质子交换膜、CL、GDL、BP、冰的密度质子交换膜、CL、GDL、BP、冰的比热容质子交换膜、CL、GDL、BP的导热率 CL、GDL的孔隙率阳极、阴极的传递系数传递系数阳极、阴极的化学计量比初始冰体积分数	1980、1000、1000、1000、920 833、2683、568、1580、2050 0.95、1.2、1.5、20.0 0.5、0.6 0.5、0.5 2.0、2.0 0	kg/m³ J/（kg·K） W/（m·K） - - - -