1、課題名稱：PEMFCs cold start 演示者： 汽車學(xué)院 新能源專業(yè),質(zhì)子交換膜燃料電池 的冷啟動(dòng)研究,概 況,1,2,3,PEMFC冷啟動(dòng)概述,PEMFC冷啟動(dòng)水問(wèn)題研究,PEMFC冷啟動(dòng)方案研究,冷啟動(dòng)概述,1 何為燃料電池冷啟動(dòng)？ 一般來(lái)說(shuō)在冰點(diǎn)以下的溫度啟動(dòng)為冷啟動(dòng) 2 為什么要研究冷啟動(dòng)？ 隨著化石等傳統(tǒng)能源的緊缺與全球氣候不斷變暖，人類面臨著巨大的能源危機(jī)與生存危機(jī)。亟需尋求新型、高效、清潔能源來(lái)逐步替代傳統(tǒng)能源以應(yīng)對(duì)能源危機(jī)。燃料電池以其優(yōu)異的性能成為世界各個(gè)國(guó)家研究的熱點(diǎn)，在發(fā)電，移動(dòng)電源，車載電源上發(fā)揮了巨大作用。燃料電池汽車的研究日益深入，但其商業(yè)化仍然存在技術(shù)瓶頸

2、問(wèn)題，除了電池耐久性和成本因素，提高低溫啟動(dòng)性能也是關(guān)鍵問(wèn)題之一。 3 冷啟動(dòng)中的主要問(wèn)題？ 當(dāng)燃料電池內(nèi)的溫度低于冰點(diǎn)時(shí)，燃料電池工作產(chǎn)生的水會(huì)發(fā)生凍結(jié)。在電池內(nèi)的溫度上升到零度之前，催化層內(nèi)的水如果發(fā)生凍結(jié)，電化學(xué)反應(yīng)將會(huì)因反應(yīng)區(qū)域的冰封而停止，同時(shí)冰的形成由于體積膨脹可能會(huì)對(duì)膜電極組件的結(jié)構(gòu)產(chǎn)生嚴(yán)重的破壞。,4 燃料電池汽車?yán)鋯?dòng)現(xiàn)狀 現(xiàn)有的大多數(shù)燃料電池系統(tǒng)冷啟動(dòng)需要輔助方法，例如輔助電源加熱、冷卻介質(zhì)加熱、熱氣體吹掃、氫氣氧氣電池內(nèi)部直接接觸反應(yīng)等。無(wú)輔助方法的冷啟動(dòng)性能需要進(jìn)一步顯著提高，因?yàn)檩o助冷啟動(dòng)會(huì)增加系統(tǒng)的體積和重量，同時(shí)還有操作的復(fù)雜性和附加成本。在冷啟動(dòng)這一方面的實(shí)驗(yàn)與

3、仿真研究并不是很多，尤其是無(wú)輔助熱源的冷啟動(dòng)需要更多的研究與努力。奔馳、豐田等大型汽車公司都在致力于提高冷啟動(dòng)的性能研究，下圖是一些不同低溫下的啟動(dòng)時(shí)間。,冷啟動(dòng)概述,0,20,40,60,-30,-20,-10,0,溫度/,Cold start時(shí)間/s,Canada,Japan,US,低溫啟動(dòng)水研究,PEMFC系統(tǒng)水的來(lái)源？,1 氣體加濕和膜增濕的水分 2 燃料電池內(nèi)部電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水 3 大功率電堆的循環(huán)水,水的在PEM中的傳遞,ANODE,Membrane,CL,GDL,BP,reaction area,CATHODE,GDL,Flow channel,OUT,PEMFC內(nèi)水的凍結(jié),由

4、水的形成與傳遞機(jī)理可以看出，水的凍結(jié)可以發(fā)生在CL、GDL和流道中，下面分別介紹這幾種凍結(jié)方式。,supplied gas flow direction,water production,ice formation,CL,GDL,Flow channel,temperature decreasing from CL to Flow channel,電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的水由于冷啟動(dòng)溫度過(guò)低導(dǎo)致催化層內(nèi)的水還沒來(lái)得及擴(kuò)散出去就已經(jīng)發(fā)生了凍結(jié)，進(jìn)而覆蓋了催化活性表面，阻礙了電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，導(dǎo)致電流密度變小，產(chǎn)熱減少，引起冷啟動(dòng)失敗。,PEMFC內(nèi)水的凍結(jié),supplied gas flow direc

5、tion,water production,liquid formation,CL,GDL,Flow channel,temperature decreasing from CL to Flow channel,ice formation,此過(guò)程中，CL內(nèi)的水沒有發(fā)生凍結(jié)，處于液態(tài)狀。當(dāng)傳遞到GDL時(shí)，由于傳遞過(guò)程中溫度的降低，水發(fā)生凍結(jié)，導(dǎo)致流道內(nèi)的氣體很難進(jìn)入CL，阻礙了電化學(xué)反應(yīng)，使得冷啟動(dòng)失敗。這種現(xiàn)象只發(fā)生在一定的溫度范圍之內(nèi)。,PEMFC內(nèi)水的凍結(jié),supplied gas flow direction,water production,liquid formation,CL,GD

6、L,Flow channel,temperature decreasing from CL to Flow channel,liquid formation,這個(gè)過(guò)程和第二個(gè)過(guò)程類似，GDL層和流道很近，研究者發(fā)現(xiàn)成功的冷啟動(dòng)溫度大約為-5攝氏度，此過(guò)程大約發(fā)生在-7攝氏度左右。,ice formation,催化層內(nèi)水的凍結(jié)是引起冷啟動(dòng)失敗的最主要因素，而在氣體擴(kuò)散層和流道內(nèi)的水凍結(jié)僅僅發(fā)生在一個(gè)很小的溫度范圍內(nèi)，此時(shí)催化層內(nèi)的溫度高于零度，而氣體擴(kuò)散層和流道內(nèi)的溫度低于零度。然而，陰極催化層內(nèi)出現(xiàn)凍結(jié)現(xiàn)象，而氣體擴(kuò)散層和流道內(nèi)卻沒有明顯的結(jié)冰現(xiàn)象。 現(xiàn)在廣泛應(yīng)用的nafion質(zhì)子交換膜，由于

7、其特殊的化學(xué)結(jié)構(gòu)，必須保證膜中具有一定的水分，否則會(huì)影響電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行。同時(shí)，膜中水的含量也是影響膜導(dǎo)電率的重要因素。然而膜中的含水量或者燃料電池中的含水量不能過(guò)多，則在冷啟動(dòng)之前多余的水就會(huì)發(fā)生凍結(jié)，影響電池性能，導(dǎo)致冷啟動(dòng)失敗。,凍結(jié)過(guò)程小結(jié),突破零度，低溫啟動(dòng)成功,無(wú)法突破零度，低溫啟動(dòng)失敗,吹掃除水,電池中的含水量,容許含水量,停止后,掃氣后,冷啟動(dòng)后,：溫升到0，水的生成量,低溫啟動(dòng)時(shí)的水量變化,容許含水量指的是什么？,WET,DRT,Balance？,既然冷啟動(dòng)之前，燃料電池含水量不能多也不能少，可能存在一個(gè)平衡點(diǎn)，而這個(gè)平衡點(diǎn)最有利于冷啟動(dòng)的性能。,what we concer

8、n is how to find this balance！,燃料電池冷啟動(dòng)融冰問(wèn)題,保證燃料電池在低溫下能成功啟動(dòng)運(yùn)行，則電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)熱融冰的速率必須大于等于生成水凍結(jié)成冰的速度。,V,I,Heat generation,Power generation,怎樣實(shí)現(xiàn)rapid star-up,V,I,活化過(guò)電勢(shì),阻抗過(guò)電勢(shì),濃差過(guò)電勢(shì),1.4 1 0.6,空氣化學(xué)計(jì)量比,水平衡,Water in MEA,氣體加濕水,電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)水,排水,Target：氣體加濕水+電化學(xué)產(chǎn)水=隨氣體排出的水,水平衡控制,PEMFC水的產(chǎn)生集中在陰極，及時(shí)將電化學(xué)反應(yīng)生成的水排出是冷啟動(dòng)的必要環(huán)節(jié)之一。由于生成的

9、水是隨氣體一起排出系統(tǒng)，可以根據(jù)不同的冷啟動(dòng)溫度，通過(guò)調(diào)節(jié)空氣側(cè)的流速以達(dá)到電池內(nèi)水的平衡。,Air flow,Cathod,冷啟動(dòng)方案,現(xiàn)有PEMFC 冷啟動(dòng)策略分為不借助任何外加能量實(shí)現(xiàn)電池冷啟動(dòng)成功的自啟動(dòng)策略和借助某種或某幾種外加輔助手段幫助電池冷啟動(dòng)成功的輔助啟動(dòng)策略。 自啟動(dòng)策略能夠很好的控制整個(gè)燃料電池系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度，但電池冷啟動(dòng)性能不高，可用溫度范圍也較窄。 而輔助啟動(dòng)策略雖然增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度并降低了系統(tǒng)的可靠性，但能夠保證電池更高的冷啟動(dòng)可靠性和更好的冷啟動(dòng)性能。,典型冷啟動(dòng)過(guò)程,階段一：燃料電池冷啟動(dòng)過(guò)程開始，隨著反應(yīng)的開始，電 池陰極側(cè)開始產(chǎn)生水，電池陰極側(cè)催化層的含水量也因此而 升高，直至達(dá)到飽和。此階段沒有冰生成。 階段二：一旦陰極催化層達(dá)到飽和，再生成的水就會(huì)在催 化層中結(jié)冰并開始堆積。同時(shí)，產(chǎn)生的熱會(huì)使電池的溫度上 升。如果電池溫度在催化層完全被冰覆蓋之時(shí)仍低于冰點(diǎn)，燃 料電池就會(huì)停機(jī)。這標(biāo)志著冷啟動(dòng)失敗。如果電池