质子交换膜燃料电池冷启动研究

论文摘要

低温环境下的冷启动问题是质子交换膜燃料电池（PEMFC:Proton ExchangeMembrane Fuel Cell）迈向商业化途中所遇到的重大障碍之一。提高电池在零度以下环境中的自启动能力和低温耐久性是当前PEMFC研究领域中的一个极具挑战性的课题。文章首先概述了PEMFC在低温环境下的冷启动行为、多次冷启动后性能衰减的机理,介绍了在不同低温环境、不同操作条件对电池启动过程的影响以及电池内部液态水结冰对质子交换膜、催化层、扩散层造成的损伤情况等。为考察电池在不同低温环境下的自启动能力,通过组装单电池在不同低温环境、不同操作条件下进行了多次自启动试验,之后通过极化曲线、CV扫描、SEM、图像分析等对电池多次冷启动后性能衰减的情况以及衰减原因进行了分析。针对PEMFC低温下的保存和启动策略,介绍了国内外与冷启动相关的已公开的专利情况,如气体吹扫和真空排水两种除水措施等,重点针对利用循环工质预热这一措施,以平板式直流道电堆为例,通过建立简化的电堆热系统模型,计算了在不同边界条件下,电堆整体温度达到设定启动温度所经历的时间。研究得出以下结论:（1）操作条件对电池的自启动能力有很大影响,加大进气流量、降低初始启动电流密度可以在一定程度上提高电池在低温下的自启动能力。对单电池在不同低温环境下进行多次自启动试验后表明,环境温度为-5℃时,电池对负载变化的适应性很强,而在-7℃,电池对负载的变化异常敏感,通过试验结果对比得出:电池在-5℃及以上环境温度具有很强的自启动能力,而在-10℃下启动能力很弱,几乎不能实现自启动。（2）多次冷启动后的极化曲线表明,启动失败对电池造成的损伤程度远高于经历多次FT循环（Frost-Thaw:冰冻解冻循环）;电池在-5℃的环境温度下经历两次启动失败后,在高电流密度区域就已经出现了较深程度的衰减,之后在-10℃的环境下继续试验,经历一次启动失败后,衰减程度在上述基础上急剧增大,致使下次试验已无法进行。之后通过循环伏安扫描表明,在-5℃的环境温度下经历两次启动失败,氢的吸附峰和氧化峰面积基本没有变化,但氧的还原峰和脱附峰面积出现了轻微的减小;在-10℃的环境温度下启动失败后,氧的还原峰和脱附峰面积的减小程度进一步扩大,这会严重影响电池在高电流密度区性能。（3）ESM和图像分析表明,多次冷启动后催化层和气体扩散层的微观结构出现了变化,催化层表面出现龟裂和凹坑,碳纤维上的PTFE颗粒发生了严重的脱离,碳纸表面空隙的分布出现了变化,这些变化将会严重影响扩散层的亲疏水性,可能导致电池在高电流密度运行时出现“水淹事故”,性能出现下降情况。（4）所有相关专利表明:有针对性的采取冷启动措施可以明显的削弱多次冷启动对电池造成的损伤,并能实现在低温下顺利启动。启动前对电池进行除水、保持电池温度高于0℃、采用防冻液避免电池内部液态水发生冻结、利用辅助措施对电池进行预热是当前主要的冷启动措施。在实际应用中,冷启动措施应着眼于电堆内部结构设计、电堆系统以及外部辅助设备的整合,注重多种启动措施的综合运用。（5）建立了平板式直流道电堆热系统模型,计算结果表明,采用热空气预热有一定的效果,但电堆温度升高速度缓慢,但若采用热水预热,升温效果则较为显著,特别是提高热水温度可以大幅度缩短预热时间,可实现电堆的快速启动。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪言
• 1.1 序言
• 1.2 PEMFC工作原理和结构
• 1.3 文献综述
• 1.3.1 PEMFC低温下的冷启动行为
• 1.3.2 PEMFC多次冷启动后性能衰减的机理
• 1.3.3 PEMFC的冷启动措施研究进展
• 1.4 本文工作
• 第2章 PEMFC冷启动试验
• 2.1 试验仪器和设备
• 2.2 试验步骤
• 2.3 自启动试验结果分析
• 2.3.1 进气流量对启动能力的影响
• 2.3.2 电流密度对启动能力的影响
• 2.3.3 电池在不同低温环境下对负载变化的适应性
• 2.3.4 电池低温环境下自启动能力的评估
• 2.4 单电池多次冷启动后性能的变化
• 2.4.1 冷启动前后极化曲线和CV曲线的对比
• 2.4.2 GDL和催化层微观结构的变化情况
• 2.5 本章小结
• 第3章 PEMFC低温下的保存与冷启动措施
• 3.1 PEMFC低温下的保存
• 3.1.1 PEMFC的除水措施
• 3.1.2 其他低温保存措施
• 3.2 PEMFC低温环境下的冷启动措施
• 3.3 本章小结
• 第4章 质子交换膜燃料电池堆预热措施的研究
• 4.1 电堆预热系统的数值模拟
• 4.1.1 几何模型
• 4.1.2 控制方程、边界设置及算法
• 4.1.3 结果分析
• 4.2 基于传热学理论的电堆预热系统解析模型
• 4.2.1 预热工质在电堆出口处的温度
• 4.2.2 几种典型热系统模型
• 4.2.3 电堆热系统计算实例
• 4.3 本章小结
• 第5章 结论和展望
• 5.1 结论
• 5.2 展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士期间发表的论文和参与的科研项目