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质子交换膜燃料电池冷启动负载控制策略
作者:官方 来源:济美动力 所属栏目:基础知识 发布时间:2024-01-30 11:14
[ 导读 ]研究背景指出质子交换膜燃料电池(PEMFC)的冷启动问题是其发展的重要挑战,解决手段包括结构优化、辅助启动和负载控制优化...

研究背景

目前,质子交换膜燃料电池(Proton exchange membrane fuel cell,PEMFC)冷启动问题是燃料电池进一步发展的重大制约因素,为了提升燃料电池的冷启动能力,目前常见的手段主要包含结构优化、辅助启动与负载控制优化。其中,结构优化与辅助启动等为冷启动性能的提升提供了硬件保障的基础,负载控制等运行策略可以进一步方便、高效地提升燃料电池冷启动的性能。

PEMFC冷启动负载控制策略可以按照其主要控制的对象分为电流、电压和功率。三种控制策略各有优劣,需要根据启动过程与自身条件综合比对,选择更为适合的负载控制策略。

电流控制策略

恒电流启动是目前许多实验与模型研究中最为常见的负载控制策略。电流在冷启动过程中相对容易控制,因此恒流模式有利于稳定实验中的流量[1]。对于这种策略,目前存在两种电流优化方向。

第一种希望充分利用燃料电池在被冰完全堵塞前的电化学产热[2],因此,这种策略通常会采用较低的电流密度,因为较低的电流密度意味着较低的产水速率,这使得电堆中的离聚物能有重组的时间吸收水分形成模态水,从而延缓冰的累积。虽然相对于高电流密度,其产热效率会降低,但产生的总热量相对更多。

第二种策略更倾向于让电堆快速升温,在冰完成堵塞之前就成功启动电堆[3]。这种策略认为,冷启动失败后的最终温度越高,冷启动成功的可能性也就越高[4]。因此,这种策略会选择较高的启动电流密度,因为这可以提高热产生速率,减小启动过程中的热损耗。

除此之外,线性变流启动结合了二者的特点,是一种更为优秀的电流控制策略。由以上的说明可知,较低的电流密度会减缓冰的形成,提升热产生的总量;而较高的电流密度有助于快速升温,线性变流启动结合了二者的优点[5]。在最初的低电流下,冰被阻止形成;随着温度的升高和运行电流的增加,由于水容量已经增加,即使产生更多的水,冰的形成速度仍然很低。但是,线性变流启动也存在问题,电流上升速率与上升时间会极大的影响冷启动的性能,需要多次的实验与仿真才能最终确定。

电压控制策略

恒电压启动也是一种可以采用的负载控制策略,其相较于恒流启动模式更加难以控制,往往需要DC/DC变换器相配合才能确保电压的稳定[6]。但是,在低压运行时能够使电堆在冷启动过程中始终保持较高的产热率,其相较于恒流启动能产生更多的余热,但是这也降低了电堆的输出功率与效率[7]。

功率控制策略

在燃料电池作为车辆混合动力系统的一部分时,往往会倾向于在恒定功率下运行,以获得最佳的性能与效率。恒功率启动的初始电流密度大,大电流通过电渗阻力效应引起MEA中膜水的重新分配,阳极催化层中的含水量急剧下降,电池总电阻增加,电流密度也随之下降。因此,仅就从冷启动角度考虑,恒功率对冷启动能力的提高作用有限。

最大功率启动也是冷启动的一个重要控制策略,它能使燃料电池快速达到满负荷的工作状态。其产热量与恒压与恒流启动的对比如图1所示,可以发现,与恒压模式下后期产热率下降不同,在最大功率冷启动模式下,产热率在第一个下降阶段后不断增加。这个优势对于快速启动是至关重要的[8]。但是最大功率策略的限制也很明显,对于冷启动过程,燃料电池的最大功率点是实时变化的,在实际操作中难以确定最大功率点。

图1 三种冷启动策略总发热率与电流密度变化[9]

总结

目前,对于PEMFC冷启动负载控制策略可以分为电流、电压与功率三类,三类控制策略的优缺点如表1所示。在实际的仿真和实验过程中,需要综合考量电堆运行状态和环境条件,结合冷启动需求选择最佳的冷启动负载控制策略。

控制策略优点缺点电流低电流密度电流容易控制;低产水速率可延缓冰累积;总产热量高产热速率较低;启动时间较长高电流密度电流容易控制;高产热速率;减小启动过程热损耗结冰速率较快;易造成电堆结构退化线性变流结合以上两者优点上升速率难以决定;策略难以制定电压恒压保持电堆较高的产热率;产生更多余热需要DC/DC变换器配合;降低了电堆的输出功率与效率功率恒功率能使电堆获得最佳性能与效率难以提高电堆的冷启动能力最大功率使电池快速达到满负荷的工作状态;产热能力强最大功率点确定复杂,难以控制。

表1 电流、电压与功率控制策略的优缺点

【来源标注】

[1] Luo Y, Jiao K. Cold start of proton exchange membrane fuel cell[J]. Progress in Energy and Combustion Science, 2018, 64: 29-61.

[2] Tajiri K, Tabuchi Y, Wang C Y. Isothermal cold start of polymer electrolyte fuel cells[J]. Journal of The Electrochemical Society, 2006, 154(2): B147.

[3] Lei L, He P, He P, et al. A comparative study: The effect of current loading modes on the cold start-up process of PEMFC stack[J]. Energy Conversion and Management, 2022, 251: 114991.

[4] Hu K, Chu T, Li F, et al. Effect of different control strategies on rapid cold start-up of a 30-cell proton exchange membrane fuel cell stack[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2021, 46(62): 31788-31797.

[5] Yang X, Sun J, Sun S, et al. An efficient cold start strategy for proton exchange membrane fuel cell stacks[J]. Journal of Power Sources, 2022, 542: 231492.

[6] Zenith F, Skogestad S. Control of fuel cell power output[J]. Journal of Process Control, 2007, 17(4): 333-347.

[7] Yang Y, Ma T, Du B, et al. Investigation on the operating conditions of proton exchange membrane fuel cell based on constant voltage cold start mode[J]. Energies, 2021, 14(3): 660.

[8] Pan M, Li D, Pan C, et al. Maximum power tracking-based adaptive cold start strategy for proton exchange membrane fuel cell[J]. Energy Conversion and Management, 2022, 273: 116387.

[9] Du Q, Jia B, Luo Y, et al. Maximum power cold start mode of proton exchange membrane fuel cell[J]. International Journal of Hydrogen Energy, 2014, 39(16): 8390-8400.

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