质子交换膜燃料电池系统仿真研究

张椿　乔运乾　孙立鹏　张帅　翟灵瑞

【摘  要】本文搭建PEMFC系统仿真模型，将空压机、电堆等部件按照物理特性进行抽象化，通过自定义工况进行拉载仿真。研究发现，该模型能够较好地反映出PEMFC系统的动态响应特性，具有较高的准确性，对PEMFC系统控制策略研究以及掌握其中机理有积极推动的作用，有助于改善PEMFC的设计。

【关键词】质子交换膜燃料电池；搭建模型；系统仿真

中图分类号：U469.72    文献标志码：A    文章编号：1003-8639（ 2023 ）09-0026-03

Simulation of Proton Exchange Membrane Fuel Cell System

ZHANG Chun，QIAO Yunqian，SUN Lipeng，ZHANG Shuai，ZHAI Lingrui

（Weichai Power Co.，LTD.，Weifang 261000，China）

【Abstract】In this paper，the PEMFC system simulation model was built，and the components such as air compressor and stack were built according to their physical characteristics，and the load pulling simulation was carried out through the custom working conditions. The research found that the model could well reflect the dynamic response characteristics of PEMFC system. It is helpful to the design and development of PEMFC by promoting the research of control strategy of PEMFC system and grasping its mechanism.

【Key words】PEM fuel cell；system model；system simulation

作者简介

张椿，硕士，副高级工程师，研究方向为新能源汽车。

质子交换膜燃料电池（PEMFC）主要是由膜电极、密封圈和带有导气通道的双极板组成。其中，膜电极中间为质子交换膜，除了有质子交换功能外，还可以起到隔离气体的作用；膜两侧为电极，由导电支撑体、气体扩散层和催化层组成，如图1所示。燃料电池工作时，阳极流道中的氢气通过扩散层到达催化层，在催化剂作用下分解成质子和电子，分别经由质子交换膜和外电路到达阴极，而阴极流道中的氧气则以相同的方式到达阴极催化剂表面，与阳极传递来的质子和电子反应生成水。同时，水也会在电迁移和浓度扩散的作用下通过质子交换膜传递[1]。

目前国内外研究学者对质子交换膜燃料电池系统建模和控制展开了大量的研究，通过搭建动态或稳态模型，可以对比不同温度、压力、湿度等条件下系统的性能，有助于确定或改善电堆操作条件[2-4]。

1  燃料电池系统模型搭建

本文基于空压机、电堆等部件的物理特性搭建PEMFC系统仿真模型，模型主要包括氢气路、空气路、水管理3部分。其中，氢气路主要是控制氢气的流量、压力；空气路主要是通过空压机的流量以及压力进行控制[5]；水管理主要是电堆产生的水以及加湿器进行控制，维持电堆中的水平衡，保持电堆的良好性能。系统模型的求解过程主要是通过模型将空压机、电堆等按照物理特性进行抽象化，建立起相关的机理模型，其中主要涉及的是质量守恒、能量守恒、热量守恒等定律。

2  燃料电池电堆仿真模型搭建

燃料电池电堆主要包括阳极、阴极、膜中水的传递、电堆电压等模型。阴、阳极模型主要通过质量流量、温度、压力、湿度等因素计算气体质量流量、气体偏压等；膜中水含量主要依靠阴、阳极产生的水的活度，通过电渗传递、扩散传递等计算出膜中水含量；电堆电压模块计算开路电压以及各种电池损失，最终输出电堆功率、电流密度等，建立电堆仿真模型如图2所示。

2.1  膜中水含量及电导率的计算

质子交换膜中水的传递受到电渗传递Jd和扩散传递Jc的影响，电渗拖拽是穿过质子交换膜孔隙的质子会拖拽一个或多个水分子的一种现象，其中质子移动影响水移动的程度利用电渗拖拽系数来衡量，它定义为伴随每个质子而移動的水分子的数目；水的反向扩散是电渗拖拽使得水从阳极移动到阴极，然而当水在阴极集聚时就会发生反向扩散，导致水从阴极传输到阳极的一种现象，这种反向扩散现象的发生通常是由于阴极的水浓度远高于阳极水浓度（阴极电化学反应使水剧增），反向扩散抵消了电渗拖拽的效果，在阴极阳极水浓度梯度驱动下，形成水的反向扩散流通量。因此，膜的净水通量J_w表达式如下：

2.2  电堆电压的计算

3  仿真结果分析

燃料电池系统的外界输入主要依靠需求电流进行，因此，自定义工况如图3所示，运行自定义工况，相关参数结果如图4～图6所示。

综上所述，分析结果如下所示。

1）电流密度大时，膜中水含量的传递主要是因为电迁移引起的，从阳极迁移到阴极，水含量会增大，在电流阶跃增大时，阴极水含量的增加量也增大。

2）阳极的水含量因电迁移下降，随着电池的运行，阴极水含量反扩散到阳极，阳极水含量上升。

3）阴极不增湿，膜内的水从阳极因为电迁移带到阴极的水量是有限的，同时阴极的水还要反扩散到阳极，电化学反应产生的水分减少，因此电极阴极的增湿十分重要，保持良好的增湿，可以提高电池的性能。

4  结论

本文通过将空压机、电堆等部件按照物理特性进行抽象化，建立燃料电池系统仿真模型，通过自定义工况进行拉载仿真，研究发现该模型能够较好地反映出燃料电池系统的动态响应特性，对燃料电池系统控制策略研究以及掌握其中的机理有积极推动作用。

参考文献：

[1] Jay T. Pukrushpan，Anna G. Stefanopoulou，Huei Peng. Control of fuel cell power systems：principles，modeling，analysis，and feedback design[M]. Germany：Springer，2004.

[2] 兰洪星. 氢燃料电池系统建模与控制策略研究[D]. 长春：吉林大学，2020.

[3] 吴波，刘长振，袁永先，等. 低压PEMFC系统设计与仿真验证[J]. 电源技术，2020，44（8）：1119-1122.

[4] ASENSIO F J，MARTIN J S，ZAMORA I，et al. Analysis of electrochemical and thermal models and modeling techniques for polymer electrolyte membrance fuel cells[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2019（10）：109283.1-109283.22.

[5] 许思传，安凯，周定贤，等. 质子交换膜燃料电池发动机空气系统仿真与试验研究[J]. 车用发动机，2011（1）：38-41.

（编辑  凌  波）