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  • 2019-02-18
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低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一,是指在燃料电池汽车可在0℃以下的温度中成功启动,并可将燃料电池内部温度迅速提升至70~80℃以满足正常运行需要的性能。本文从阻碍PEMFC低温冷启动的原因和过程着手,阐述了两种主要解决方法。

  摘要:低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一,是指燃料电池汽车可在0℃以下的温度中成功启动,并可将燃料电池内部温度迅速提升至70~80℃以满足正常运行的性能。本文从阻碍PEMFC低温冷启动的原因和过程着手,阐述了两种主要解决方法。

  燃料电池在无特殊处理或辅助工具的情况中,在低于0℃的工作环境下,阴极侧反应生成的水易结冰导致催化层、扩散层堵塞,阻碍反应的进行,并且水结冰产生的体积变化也会对膜电极组件的结构产生破坏,降低燃料电池性能。

  启动的反应热量不足是外部低温冻结膜电极的主因

  燃料电池在常温状态工作时,内部阴极侧H+和通入的O2反应生成水,水以气态或液态通过对流完成从催化层至扩散层,再到阴极流道的交换排出。

  当外部温度在0℃以下时,若燃料电池启动时化学反应产生的热量足以支撑水以气态或液态排出,则随着反应的进行,温度会逐渐升至正常的工作温度(70~80℃);若不足以支撑水以气态或液态排出,则会结成冰阻碍反应气体的通过、冻结膜电极,导致电化学反应的中止,还有可能对膜电极造成不可逆转的损伤。

  低温冷启动是催化层反应温度抵御外部低温的过程

  燃料电池的冷启动可以分为水的生成、饱和、结冰和融化阶段。生成的冰逐渐从阴极流道通过扩散层向催化剂过度,而电池反应产生的温度从反向传播,两种温度的抗衡决定最终启动成功与否。该过程具体分为四个阶段:

  (1)电化学反应的初始阶段水量较少,反应热量供应充足。燃料电池开始启动,随着反应气体的通入,电池阴极催化层开始有水生成,使气体中的水蒸气密度上升,直至饱和,该过程催化层反应产生的温度充足,不足以结冰。

  (2)随着催化层水汽量增加,反应供热开始和外部温度相抗衡。阴极水蒸气达到饱和后,继续产生的水会在催化层中结冰沉淀,同时催化层中反应放出的热量会对电池进行加热抵御结冰。

  (3)温度扩散至扩散层和阴极流道,使外部冰渣融化,电堆成功启动。随着催化层温度的上升,抵御外部结冰能力增强,温度从内向外扩散,直至燃料电池整体温度变高。

  利用氢氧直接反应产热是车用冷启动的应用主流

  目前解决燃料电池汽车低温冷启动主要有加热、通入热空气、冷却水循环加热、变阻加热、氢氧反应加热和气体吹扫等方法。其中,加热、通入热空气和冷却水循环加热等方法附带的辅助系统质量体积较大,不适合车用;而氢氧反应加热、氢泵加热、气体吹扫等方法,由于其原理是在启动时临时改变内部反应环境,外带设备较少,是国内研究应用的热点。

  (1)氢氧反应加热法不增加辅助设备,利用H2和O2在电极阳极或阴极一侧直接接触反应,迅速提高电池温度。其是将一定比例的氢氧混合气体通入燃料电池的阴极或阳极,利用氢气在膜电极催化层上的氧化释放热量,达到快速提高燃料电池温度的目的。该方法操作简单,应用过程中仅需在启动时控制混合气体的流量,即可实现燃料电池的快速升温,不增加任何辅助设备;成本较低,仅利用自身燃料提供反应;启动速度快,H2和O2之间无质子交换膜阻隔,直接反应剧烈,释放热量快;应用效果良好,仅需在启动前利用自带的膜电极增湿装置,使膜电极保持一定水分即可应用。大连化物所用该方法实现了在-20℃、-31℃、-36℃的低温冷启动。

  (2)氢泵加热法原理与氢氧反应加热相同,通过外部电流作用使供氧侧电极产生氢气,从而直接反应产生热量。其是将直流电源(汽车自带蓄电池或电容)与燃料电池串联,在中间加入可变的电阻以控制电流,在通电后使膜电极阴阳两极交换,在阴极侧(原)产生H2,从而与通入的O2直接发应,快速提高电池温度。该方法成本低,仅需要将汽车自带的蓄电池与燃料电池相连,并加入一块儿可控制的变阻即可;安全性较高,该方法工作时燃料电池的升温较均匀,对燃料电池的损害小。大连化物所用该方法实现了燃料电池电堆在-15℃、-20℃、-30℃温度下的冷启动。

  结语

  低温冷启动是影响燃料电池汽车商业化的主要因素之一。冷启动失败是由于电池启动时,反应热量不足以抵御外部低温,而造成的膜电极冻结,目前国内车用冷启动方法主要采用氢氧直接反应的方式,迅速产生热量,提高电池温度。其中,氢氧反应加热法不增加辅助设备,需在电极某一侧增加H2或O2的进气通道,目前该法实现了-15℃、-20℃、-30℃温度下的冷启动;氢泵加热法需增加可变电阻,通过改变反应堆的阴阳极得到氢氧混合气体,再直接反应提高电池的温度,目前该法实现了在-15℃、-20℃、-30℃温度下的冷启动。


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