1、课题名称：PEMFCs cold startPEMFCs cold start演示者：汽车学院汽车学院 新能源专业新能源专业 概概 况况123PEMFC冷启动概述冷启动概述PEMFC冷启动水问题研究冷启动水问题研究PEMFC冷启动方案研究冷启动方案研究冷启动概述冷启动概述1 何为燃料电池冷启动？何为燃料电池冷启动？一般来说在冰点以下的温度启动为冷启动一般来说在冰点以下的温度启动为冷启动2 为什么要研究冷启动？为什么要研究冷启动？随着化石等传统能源的紧缺与全球气候不断变暖，人类面临着巨大的随着化石等传统能源的紧缺与全球气候不断变暖，人类面临着巨大的能源危机与生存危机。亟需寻求新型、高效、清洁能源
2、来逐步替代传能源危机与生存危机。亟需寻求新型、高效、清洁能源来逐步替代传统能源以应对能源危机。燃料电池以其优异的性能成为世界各个国家统能源以应对能源危机。燃料电池以其优异的性能成为世界各个国家研究的热点，在发电，移动电源，车载电源上发挥了巨大作用。燃料研究的热点，在发电，移动电源，车载电源上发挥了巨大作用。燃料电池汽车的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，除了电池汽车的研究日益深入，但其商业化仍然存在技术瓶颈问题，除了电池耐久性和成本因素，提高低温启动性能也是关键问题之一。电池耐久性和成本因素，提高低温启动性能也是关键问题之一。3 冷启动中的主要问题？冷启动中的主要问题？当燃料电池内
3、的温度低于冰点时，燃料电池工作产生的水会发生冻结。当燃料电池内的温度低于冰点时，燃料电池工作产生的水会发生冻结。在电池内的温度上升到零度之前，催化层内的水如果发生冻结，电化在电池内的温度上升到零度之前，催化层内的水如果发生冻结，电化学反应将会因反应区域的冰封而停止，同时冰的形成由于体积膨胀可学反应将会因反应区域的冰封而停止，同时冰的形成由于体积膨胀可能会对膜电极组件的结构产生严重的破坏。能会对膜电极组件的结构产生严重的破坏。4 燃料电池汽车冷启动现状燃料电池汽车冷启动现状现有的大多数燃料电池系统冷启动需要辅助方法，例如辅助电源加热、冷却介现有的大多数燃料电池系统冷启动需要辅助方法，例如辅助电源
4、加热、冷却介质加热、热气体吹扫、氢气氧气电池内部直接接触反应等。无辅助方法的冷启质加热、热气体吹扫、氢气氧气电池内部直接接触反应等。无辅助方法的冷启动性能需要进一步显著提高，因为辅助冷启动会增加系统的体积和重量，同时动性能需要进一步显著提高，因为辅助冷启动会增加系统的体积和重量，同时还有操作的复杂性和附加成本。在冷启动这一方面的实验与仿真研究并不是很还有操作的复杂性和附加成本。在冷启动这一方面的实验与仿真研究并不是很多，尤其是无辅助热源的冷启动需要更多的研究与努力。奔驰、丰田等大型汽多，尤其是无辅助热源的冷启动需要更多的研究与努力。奔驰、丰田等大型汽车公司都在致力于提高冷启动的性能研究，下图是
5、一些不同低温下的启动时间。车公司都在致力于提高冷启动的性能研究，下图是一些不同低温下的启动时间。冷启动概述冷启动概述0204060-30-20-100温度温度/Cold start时间时间/sCanadaJapanUS低温启动水研究低温启动水研究PEMFC系统水的来源？系统水的来源？1 气体加湿和膜增湿的水分气体加湿和膜增湿的水分2 燃料电池内部电化学反应产生的水燃料电池内部电化学反应产生的水3 大功率电堆的循环水大功率电堆的循环水水的在水的在PEMPEM中的传递中的传递HANODEMembraneCLGDLBPHreaction area2O-eCATHODEOH2OH2OH2OH2GDLF
6、low channelOUTPEMFCPEMFC内水的冻结内水的冻结由水的形成与传递机理可以看出，水的冻结可以发生在由水的形成与传递机理可以看出，水的冻结可以发生在CL、GDL和流道中，下面分别介绍这几种冻结方式。和流道中，下面分别介绍这几种冻结方式。supplied gas flow direction water production ice formationCLGDLFlow channel temperature decreasing from CL to Flow channel 电化学反应产生的水由于冷启动温度过低导致催化层电化学反应产生的水由于冷启动温度过低导致催化层内的水还没
7、来得及扩散出去就已经发生了冻结，进而内的水还没来得及扩散出去就已经发生了冻结，进而覆盖了催化活性表面，阻碍了电化学反应的进行，导覆盖了催化活性表面，阻碍了电化学反应的进行，导致电流密度变小，产热减少，引起冷启动失败。致电流密度变小，产热减少，引起冷启动失败。PEMFCPEMFC内水的冻结内水的冻结supplied gas flow direction water production liquidformationCLGDLFlow channel temperature decreasing from CL to Flow channel iceformation此过程中，此过程中，CL内的
8、水没有发生冻结，处于液态内的水没有发生冻结，处于液态状。当传递到状。当传递到GDL时，由于传递过程中温度的时，由于传递过程中温度的降低，水发生冻结，导致流道内的气体很难进入降低，水发生冻结，导致流道内的气体很难进入CL，阻碍了电化学反应，使得冷启动失败。这，阻碍了电化学反应，使得冷启动失败。这种现象只发生在一定的温度范围之内。种现象只发生在一定的温度范围之内。PEMFCPEMFC内水的冻结内水的冻结supplied gas flow direction water production liquidformationCLGDLFlow channel temperature decreasin
9、g from CL to Flow channel liquidformation这个过程和第二个过程类似，这个过程和第二个过程类似，GDL层和流道很层和流道很近，研究者发现成功的冷启动温度大约为近，研究者发现成功的冷启动温度大约为-5摄氏摄氏度，此过程大约发生在度，此过程大约发生在-7摄氏度左右。摄氏度左右。iceformation催化层内水的冻结是引起冷启动失败的最主要因素，催化层内水的冻结是引起冷启动失败的最主要因素，而在气体扩散层和流道内的水冻结仅仅发生在一个很而在气体扩散层和流道内的水冻结仅仅发生在一个很小的温度范围内，此时催化层内的温度高于零度，而小的温度范围内，此时催化层内的温度
10、高于零度，而气体扩散层和流道内的温度低于零度。然而，阴极催气体扩散层和流道内的温度低于零度。然而，阴极催化层内出现冻结现象，而气体扩散层和流道内却没有化层内出现冻结现象，而气体扩散层和流道内却没有明显的结冰现象。明显的结冰现象。现在广泛应用的现在广泛应用的nafion质子交换膜，由于其特殊的化质子交换膜，由于其特殊的化学结构，必须保证膜中具有一定的水分，否则会影响学结构，必须保证膜中具有一定的水分，否则会影响电化学反应的进行。同时，膜中水的含量也是影响膜电化学反应的进行。同时，膜中水的含量也是影响膜导电率的重要因素。然而膜中的含水量或者燃料电池导电率的重要因素。然而膜中的含水量或者燃料电池中的
11、含水量不能过多，则在冷启动之前多余的水就会中的含水量不能过多，则在冷启动之前多余的水就会发生冻结，影响电池性能，导致冷启动失败。发生冻结，影响电池性能，导致冷启动失败。冻结过程小结冻结过程小结突破零度，低温突破零度，低温启动成功启动成功无法突破零度，无法突破零度，低温启动失败低温启动失败吹扫除水吹扫除水电池中的含水量电池中的含水量容许含水量容许含水量停止后停止后扫气后扫气后冷启动后冷启动后：温升到：温升到0，水的生成量，水的生成量低温启动时的水量变化低温启动时的水量变化容许含水量指的是什么？WETDRTBalance？既然冷启动之前，燃料电池含水量不能多也不能少，既然冷启动之前，燃料电池含水量
12、不能多也不能少，可能存在一个平衡点，而这个平衡点最有利于冷启动可能存在一个平衡点，而这个平衡点最有利于冷启动的性能。的性能。what we concern is how to find this balance！燃料电池冷启动融冰问题燃料电池冷启动融冰问题保证燃料电池在低温下能成功启动运行，则电化学反应产热保证燃料电池在低温下能成功启动运行，则电化学反应产热融冰的速率必须大于等于生成水冻结成冰的速度。融冰的速率必须大于等于生成水冻结成冰的速度。VIHeat generationPower generation怎样实现怎样实现rapid star-uprapid star-upVI活化过电势活化
13、过电势阻抗过电势阻抗过电势浓差过电势浓差过电势1.4 1 0.6空气化学计量比空气化学计量比水平衡水平衡Water in MEA气体加湿水气体加湿水电化学反应产水电化学反应产水排水排水Target：气体加湿水：气体加湿水+电化学产水电化学产水=随气体排出的水随气体排出的水HOH2OH2水平衡控制水平衡控制PEMFC水的产生集中在阴水的产生集中在阴极，及时将电化学反应生极，及时将电化学反应生成的水排出是冷启动的必成的水排出是冷启动的必要环节之一。由于生成的要环节之一。由于生成的水是随气体一起排出系统，水是随气体一起排出系统，可以根据不同的冷启动温可以根据不同的冷启动温度，通过调节空气侧的流度，通
14、过调节空气侧的流速以达到电池内水的平衡。速以达到电池内水的平衡。Air flowCathod冷启动方案冷启动方案 现有现有PEMFC 冷启动策略分为不借助任何外加能量实冷启动策略分为不借助任何外加能量实现电池冷启动成功的自启动策略和借助某种或某几种现电池冷启动成功的自启动策略和借助某种或某几种外加辅助手段帮助电池冷启动成功的辅助启动策略。外加辅助手段帮助电池冷启动成功的辅助启动策略。自启动策略能够很好的控制整个燃料电池系统的成本自启动策略能够很好的控制整个燃料电池系统的成本和复杂程度，但电池冷启动性能不高，可用温度范围和复杂程度，但电池冷启动性能不高，可用温度范围也较窄。也较窄。而辅助启动策略
15、虽然增加了系统的成本和复杂程度并而辅助启动策略虽然增加了系统的成本和复杂程度并降低了系统的可靠性，但能够保证电池更高的冷启动降低了系统的可靠性，但能够保证电池更高的冷启动可靠性和更好的冷启动性能。可靠性和更好的冷启动性能。典型冷启动过程典型冷启动过程阶段一：燃料电池冷启动过程开始，随着反应的开始，电阶段一：燃料电池冷启动过程开始，随着反应的开始，电池阴极侧开始产生水，电池阴极侧催化层的含水量也因此而池阴极侧开始产生水，电池阴极侧催化层的含水量也因此而升高，直至达到饱和。此阶段没有冰生成。升高，直至达到饱和。此阶段没有冰生成。阶段二：一旦阴极催化层达到饱和，再生成的水就会在催阶段二：一旦阴极催化
16、层达到饱和，再生成的水就会在催化层中结冰并开始堆积。同时，产生的热会使电池的温度上化层中结冰并开始堆积。同时，产生的热会使电池的温度上升。如果电池温度在催化层完全被冰覆盖之时仍低于冰点，燃升。如果电池温度在催化层完全被冰覆盖之时仍低于冰点，燃料电池就会停机。这标志着冷启动失败。如果电池温度在阴极料电池就会停机。这标志着冷启动失败。如果电池温度在阴极催化层全部被冰覆盖前达到了冰点，冰开始融化，融化过程吸催化层全部被冰覆盖前达到了冰点，冰开始融化，融化过程吸收的热量使电池温度维持在冰点，直至所有冰全部融化。收的热量使电池温度维持在冰点，直至所有冰全部融化。阶段三：当阴极催化层所有冰融化后，电池温度
17、开始再次阶段三：当阴极催化层所有冰融化后，电池温度开始再次上升，并继续上升至正常操作温度。此时，电池冷却系统开始上升，并继续上升至正常操作温度。此时，电池冷却系统开始工作工作PEMFC保温策略保温策略绝热处理绝热处理 绝热箱绝热箱 体积绝热体积绝热 利用能源或利用能源或 电源电源 催化燃烧催化燃烧 低功率运转低功率运转 电加热电加热 传感器控制传感器控制温度感应温度感应冰冻判断冰冻判断能量利用策略控制能量利用策略控制PEMFC加热解冻策略加热解冻策略除水和吹扫除水和吹扫 控制反应加湿控制反应加湿 排水排水 再加湿再加湿加湿控制加湿控制 内部加热内部加热流道中烧氢流道中烧氢催化反应加热催化反应加热MEA电阻加热电阻加热 外部加热外部加热冷却液加热冷却液加热热空气吹扫热空气吹扫 附件加热附件加热保温箱保温箱燃烧室燃烧室压缩机压缩机
