质子交换膜燃料电池电堆低温起动的仿真研究.pdf

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1、质子交换膜燃料电池电堆低温起动的仿真研究李友才，贾振华，郏国中(河南工业大学机电工程学院，河南郑州450007)摘要：在假定条件下。将每片单电池分成10层，每层看成一个集总参数，在Matlab／Simulink软件搭建由2O片单电池及端板组成的瞬态分层集总参数电堆水热管理模型。在-20℃的环境温度下，当电堆的温度保温到0℃时，起动燃料电池电堆。加载标准低温起动工况进行仿真研究，并对单电池输出电压、电堆电池各层不同时刻温度和质子交换膜内水的迁移量随时间的变化进行分析。关键词：燃料电池电堆：低温起动；仿真分析中图分类号：TM911．4文献标识码：A文章编号：1002—087X(2014)0

2、3—0466—03SimulationstudyoncoldstartofprotonexchangemembraneelcellstackLIYou-cai，JIAZhen—hua，JIAGuo—zhong(SchoolofMechanical&ElectricalEngineering,HenanUniversityofTechnology．ZhengzhouHenan45000ZChina)Abstract：Ontheassumedcondition，asinglecellwasdividedintotenlayers．Eachlayerwasregardedasalumpedp

3、arameter．Alayeredandlumpedmodelofthestack，whichincludes20singlecells，wasbuiltbyapplyingMallab／Simulinksoftware．Atambienttemperatureof-20℃．whenthestacktemperaturekeptwarmto0oC，thesimulateresearchwasstartedbystarting—uDthefuelcellstackandloadingcold—startstandardcondition．theouputvoltageofsinglece

4、ll，thediferenttimetemperatureofeachlayercellandwatertransporttime—variationinprotonexchangemembranewereanalyzed．Keywords：fuelcelIstack；coldstart；simulationanalysis质子交换膜燃料电池(PEMFC)具有低噪音、无污染、零排温度，t指时间)，具体模型见文献[2]。单体电池各层总的通用放、高效率及室温可快速起动等优点，是解决环境污染和能源能量方程为：枯竭问题的首选汽车动力源。由于PEMFC内有残存的水存71···‘(Mc)fIl【』

5、=△Q。。+△．t0+Q。+Q-mI(1)在，当环境温度低于0℃时，这些残存的水就会变成冰，从而Uf●式中：(Mcp)鹏是单电池各层总的热容；AQ是单电池各层固造成电堆的阴阳极流道阻塞，由于水结成冰，其体积增大约体之间和固体与气体之间传递热量的总和；Q代表单电池各11％，从而对燃料电池的寿命和其冷起动特性造成严重的影层生成的焦耳热；A日⋯是进出单电池各层的氢离子、氢气、响。因此，实现PEMFC0℃以下快速起动和尽可能减轻或消氧气、水蒸气和液态水的焓变之和；是单电池阴阳极催化除结冰对燃料电池的破坏是一个急需解决的问题【”。本文利用层在电池工作过程中产生的热量(电池的不可逆损失)。Matl

6、ab／Simulink软件建立由20片单电池及端板组成的电堆瞬车用燃料电池电堆的功率通常在十几至几十千瓦之间，态分层集总参数水热管理模型，在一20℃的环境下，依据燃料电堆单电池的数目有几百片左右。对于燃料电池电堆低温起电池电堆低温起动控制策略起动电堆，加载标准低温起动工动，在能够准确预测整个电堆特性的同时，所建立模型包括的况进行仿真研究。单电池片数越少越好。从图l可以看出，20片单电池电堆的起1燃料电池电堆模型动时间与4O片、80片及120片单电池电堆的起动时间基本相单体电池由双极板、气体扩散层、催化层和PEM组成。在同。从图2可以看出，在以I．0A／cm2电流密度起动电堆，紧靠假定条

7、件下，将每片电池分成10层(冷却液流道、隔板×2、阴端板单电池阴极流道达到触发温度0℃时，2O片和40片单电阳极气体流道、阴阳极气体扩散层、阴阳极催化层及PEM)。池的电堆各层温度分布曲线几乎完全重合，这说明用20片单将单电池的各层和两个端板层看作一个集总参数系统(0指电池组成电堆能够准确的模拟整个电堆(几百片电池)的低温起动特性嘲。收稿日期：2013—08-03依据式(1)，在Matlab／Simulink平台上搭建了由20片单电基金项目：校