燃料電池冷啟動(dòng)課件

1、課題名稱(chēng)：PEMFCs cold start演示者： 汽車(chē)學(xué)院 新能源專(zhuān)業(yè)質(zhì)子交換膜燃料電池 概 況123PEMFC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(lèi)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(chē)載電源上發(fā)揮了巨大作用。燃料電池汽車(chē)的研究日益深入，但其商業(yè)化仍然存在技術(shù)瓶頸問(wèn)題，除了電池耐久性和成本因素，提高低溫

2、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(chē)?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

3、更多的研究與努力。奔馳、豐田等大型汽車(chē)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0204060-30-20-100溫度/Cold start時(shí)間/sCanadaJapanUS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ANODEMembraneCLGDLBPreaction areaCATHODEGDLFlow channelOUTPEMFC內(nèi)水的凍結(jié)由水的形成與傳遞機(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。supplie

4、d gas flow direction water production ice formationCLGDLFlow 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(méi)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 direction water production liquidformationCLGDLFlow channel temper

5、ature decreasing from CL to Flow channel iceformation此過(guò)程中，CL內(nèi)的水沒(méi)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 liquidformationCLGDLFlow channel temperature decreasing from CL to Flow channel liquidforma

6、tion這個(gè)過(guò)程和第二個(gè)過(guò)程類(lèi)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。 iceformation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(méi)有明顯的結(jié)冰現(xiàn)象?，F(xiàn)在廣泛應(yīng)用的nafion質(zhì)子交換膜，由于其特殊的化學(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

7、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？WETDRTBalance？ 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 concern 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。VIHea

8、t generationPower generation怎樣實(shí)現(xiàn)rapid star-upVI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 flowCathod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

9、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(kāi)始，隨著反應(yīng)的開(kāi)始，電池陰極側(cè)開(kāi)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(méi)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(kāi)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。如果電池溫度在陰極催化層全部被冰覆蓋前達(dá)到了冰點(diǎn)，冰開(kāi)始融化，融化過(guò)程吸收的熱量使電池溫度維持在冰點(diǎn)，直至所有冰全部融化。階段三：當(dāng)陰極催化層所有冰融化后，電池溫度開(kāi)始再次上升，并繼續(xù)上升至正常操作溫度。此時(shí)，電池冷卻系統(tǒng)開(kāi)始工作PEMFC保溫策略絕熱處理