车用质子交换膜燃料电池仿真技术路线

张斌 庄才敖 郑宇

摘要：质子交换膜燃料电池作为燃料电池中重要的一种类型，可应用于汽车及小规模的发电站与便携式移动能源，是当前新能源领域的研究热点。主要针对车用质子交换膜燃料电池的三种仿真参数模型就当前国内外研究进展进行论述。

Abstract： Proton exchange membrane fuel cells， as an important type of fuel cells， can be applied to automobiles and small-scale power stations and portable mobile energy sources， which is a current research focus in the field of new energy. This paper mainly discusses the current research progress at home and abroad for three simulation parameter models of proton exchange membrane fuel cells for vehicles.

关键词：质子交换膜燃料电池（PEMFC）;仿真模型;技术路线

Key words： proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）;simulation model;technical route

中图分类号：TM911.4                                    文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2021）06-0210-03

0  引言

燃料电池作为一项具有广阔应用前景的能源技术，具有高效率、低排放、低噪音及模块化等优势[1]。质子交换膜燃料电池作为其中极其重要的一个种类，有望大规模应用于汽车、发电、移动电源等众多领域，减轻当前面临的汽车尾气排放及燃煤污染物排放所带来的环境问题与温室气体造成的气候问题[2]。质子交换膜燃料电池的单电池结构主要包括阳极流场、膜电极结构（阳极扩散层、阳极催化层、质子交换膜、阴极催化层、阴极扩散层）、阴极流场[3]。其中阴阳极流场结构影响进入扩散层流体的压力、流速以及电流传导与热传导等因素，一直是燃料电池研究的热点[4]。而核心组件即是质子交换膜和膜两侧的多孔电极，质子交换膜必须保证足够高的质子导电性以及能够化学和机械稳定性[5]。多孔电极即发生电化学反应的催化剂薄层，保证反应气体、电子、质子都能参与反应。气体扩散层则为反应气体从流场进入反应区域提供路径并与双极板相连使电子形成电路以及为膜电极结构提供机械支撑。双极板虽然不出现在单电池中，却是构成电池组的因素，将一个电池的阳极与相邻电池的阴极进行电气连接并隔绝气体防止渗透又为电池组提供了结构支撑以及起到传导热量的作用。燃料电池各组件的材料特性、反应机理等比较复杂，试验成本较高，数值仿真技术可以优化燃料电池系统的设计与匹配，对试验研究起到指导与辅助作用[6]。常用的仿真模型包括分布参数模型、集总参数模型以及混合参数模型[7]。

1  分布参数模型

分布参数模型即以燃料电池仿真涉及的各种守恒方程，包括质量守恒、动量守恒、电荷守恒、能量守恒、组分守恒等守恒方程来描述燃料电池内部参数[7]，包括电池内部流体（氢氧燃料电池主要为H2、O2;直接甲醇燃料电池为甲醇溶液）的压力、流速、浓度、温度等参数以及液态水与电流密度的分布情况等。分布参数模型可以详细的描绘电池内部情况，但一般忽略了燃料电池配套设施比如燃料供给系统、冷却系统等的影响。常用的商用仿真软件包括Fluent、COMSOL Multiphysics等。

1.1 流場结构对PEMFC影响

在分布参数模型下，罗鑫等基于COMSOL Multiphysics软件比较了不同流场形式对PEMFC性能的影响，通过对阴阳极流体浓度与电流密度的比较发现交指型流道的排水效果最好，功率密度也最高[8]，见图1。蛇形流场是目前广泛应用的流场形式，单蛇形流场由于流道长度较长，压降较大[9];不如多通道蛇形流场适用于面积较大的流场;相对于二通道的流场结构，三通道流场结构会使反应气体及电流密度分布更加均匀[10]。

1.2 PEMFC内部传质现象

水的凝结速度可以表示为：

其中rw表示水凝结速度，K表示绝对渗透率，ρl表示液态水密度，s为水的饱和度，pc表示孔隙介质毛细压力，ε为孔隙率，μl表示液态水粘度。

阳极流道入口与阴极流道入口的位置会影响PEMFC内部水浓度分度。阳极流道入口与阴极流道入口成对角线布置（逆流）时，平均水含量更高。因此采用逆流布置可以提高燃料电池的自增湿效果[11]，见图2。但当燃料电池内水浓度过高时产生的“水淹”现象会对电池性能产生严重的不利影响，此时可以通过优化流道结构，如采用变宽度流道结构[11];以及改变进气相对湿度[12]等手段加以控制。

1.3 PEMFC特殊工况分析

对于燃料电池的一些特殊工况需要进行动态的研究分析，比如启动工况与变负载工况等。启动工况常用电流密度随时间变化曲线来表征，电流密度在短时间内上升并达到稳定状态则启动成功[13]，见图3。流场结构形式[14]、进气参数、电池堆内单电池个数[15]、质子交换膜特性[16]等都会对燃料电池启动性能产生影响。

当负载发生阶跃变化时，电池电压容易产生“overshoot”（陡升）与“undershoot”（陡降）现象[17]。如燃料电池汽车在加载瞬间电池电压会发生陡降的现象。这种不利现象会降低电池堆的性能表现甚至导致电池堆的不可逆损害[7]。这种现象主要由气体供应滞后和电池内部液态水的积累所造成[7]。当电池电流密度突变时还会导致电池温度的动态变化[18]。

2  集总参数模型

集总参数模型仿真速度快、操作简便，可以用来分析燃料电池的动态响应性与系统控制，但无法得到燃料电池内部参数的分布情况[7]。最常使用的仿真软件是Matlab/Simulink仿真平台。

对于PEMFC的系统控制主要包括了机理模型与经验模型[19]以及以经验模型为基础，考虑质子交换膜燃料电池配套系统的半经验半机理模型[20]。可以基于算法控制燃料电池堆的温度[21]、流道内流体流量的控制[22];利用集总参数模型研究PEMFC结构与参数对性能的影响如流道布置方式对传热传质效果的影响[23];采用动态集总参数模型分析PEMFC系统的动态特性[24]以及建立PEMFC辅助系统的模型分析[7]。

3  混合参数模型

仿真模型的研究由一维拓展到二维和三维模型，从PEMFC的特定区域拓展到单电池以及电池堆的整体性能仿真[6]。对于PEMFC的仿真建模而言，分布参数与集总参数模型各有优势也各有不足。因此，将两种参数模型相结合的混合参数模型在PEMFC的仿真分析中更具优势。首先利用分布参数模型建立燃料电池堆的仿真模型，可以得到电池内部参数的分布情况;利用集总参数模型建立辅助系统如空压机、增湿器、燃料供给系统等的仿真模型[7]，便可以充分发挥两种参数模型的优势，得到PEMFC工作时，随着运行参数的改变，内部物理量的动态响应。常用的仿真方法即利用Simulink的S-函数与Fluent软件日志文件建立两者的接口[25]，模拟更接近真实的PEMFC系统运行状态。

目前有关燃料电池领域的混合参数模型研究还很匮乏，但基于混合参数模型仿真模拟的巨大优势，可以想见未来的研究潜力巨大。

4  质子交换膜燃料电池在汽车上的应用

当下的新能源汽车以纯电动汽车和插电式混合动力汽车为主，储能装置为锂电池，受锂电池技术的影响，纯电动汽车的续航里程短、冬季续航断崖式下跌和充电时间长，其便利性一直不如传统燃油车。锂电池随着充放电次数的增加，电池容量也会不断衰减，最直接的表现就是纯电动汽车使用三年后，续航里程严重缩短。锂电池报废后，也会产生较大的环境污染。

质子交换膜燃料电池汽车解决了大部分纯电动汽车上的问题，燃料电池的是一种高效的能源转换装置，实际转换效率在40-60%[26]。主要参与的反应物是氧气和氢气，氧气可直接从空气中获取，只需另外加注氢气，反应后的主要产物是水，是非常清洁的能源装置。我国氢燃料电池汽车累计推广应用超过2000辆，投入运行加氢站有12 座，且在北上广等地均开展了示范应用[27]。车用质子交换膜燃料电池在新能源汽车的应用前景十分广阔，能够有利解决环境污染问题，同时改善我国的能源结构。

參考文献：

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