基于實驗設計法的質子交換膜燃料電池系統參數優化研究

李峰勛+李振哲

摘 要： 質子交換膜燃料電池廣泛應用于混合動力汽車中，由其無污染特性收到研究者的關注。首先介紹了質子交換膜燃料電池仿真模型，介紹了仿真模型的構成。然后，基于仿真模型，結合實驗設計法優化了質子交換膜燃料電池系統。

關鍵詞： 渦輪發動機；熱障陶瓷系統；熱生長氧化層

本課題研究由國家自然科學基金（項目編號：51401100）、浙江省自然科學基金（項目編號：LY16E050006）、溫州市科技計劃項目（項目編號：G20150010）資助。

1. 引言

當今汽車業，新能源汽車無疑成了各汽車集團乃至各國政府振興汽車業的一劑良藥。目前世界各國都紛紛出臺了支持新能源汽車的相關政策，我國也大力支持著新能源汽車的開發和使用，燃料電池電動汽車也以其節能環保的前瞻性位列其中，并將離人們的生活越來越近[1，2]。

因此，在節能和環保已成為現代汽車工業發展的主題之際，燃料電池電動汽車成為新能源汽車戰略中最具挑戰性和前瞻性的汽車技術，得到世界各國政府及各大汽車公司的高度重視。美國政府計劃在2020年燃料電池汽車進入商業化。日本政府目標燃料電池汽車2020年達到500萬輛，2030年達到1500萬輛。歐盟也計劃燃料電池汽車在2020年進入商業化應用的起飛階段。我國作為汽車大國，向汽車強國轉折時期，也在承擔和發展燃料電池汽車的研發和應用。

由于質子交換膜燃料電池內部約40%-50%的能量耗散為熱能，如果沒有有效的熱管理會致使質子交換膜燃料電池溫度上升。同時，質子交換膜燃料電池中膜的電導率與膜中水含量密切相關。如果膜的水含量過高，容易造成水淹，并導致與其相連的電極或者氣體擴散層中的孔道被堵塞；如果膜的水合狀態過低，不利于質子的傳導。因此須對質子交換膜進行加濕，以確保質子交換膜處于良好的水合狀態，并且同時應控制適當的水分布以保證電池性能。不可否認的是，膜的水含量與質子交換膜燃料電池內部溫度息息相關。所以，有效的熱管理是保證質子交換膜燃料電池高性能和高效率的關鍵。

本文中首先介紹了質子交換膜燃料電池仿真模型，介紹了仿真模型的構成。然后，基于仿真模型，結合實驗設計法優化了質子交換膜燃料電池系統。

2. 燃料電池模型

基于系統特性， 我們開發了質子交換膜燃料電池堆瞬態模型。如圖1所示，質子交換膜燃料電池堆瞬態模型包括6個部分：陰極質量流模型、陽極質量流模型、膜的水含模型、燃料電池堆電壓模型、陽極氣體擴散層模型、陰極氣體擴散層模型[3]。

3. 優化設計

燃料電池堆電流（范圍為36：50），燃料電池堆溫度（范圍為55：65），氧氣超額系數（范圍為1.5：3.5），氫氣超額系數（范圍為1.1：1.6），進口空氣濕度（范圍為0.6：1）作為設計變量。在設計過程中表1的設計范圍對應數字改變成無量綱的數-1， 0 和1。

我們首先根據D-optimal實驗設計法，選擇了如下表2所示的試驗點。并利用質子交換膜燃料電池仿真模型對實驗點進行了仿真。

表2中，我們可以看出第38種情況的功率做大。

4. 結論

本文首先介紹了相關知識，包括質子交換膜燃料電池和一些實驗設計法相關概念。基于仿真模型，結合實驗設計法討論了優化質子交換膜燃料電池系統的方法。該優化方法可以大幅提高質子交換膜燃料電池系統性能。

參考文獻

[1] 陳全世， 仇斌， 謝起成等， 燃料電池電動汽車[M]， 北京： 清華大學出版社， 2005.

[2] 葛善海， 農寶廉， 徐洪峰， 質子交換膜燃料電池水傳遞模型[J]， 化工學報， 1999， 50（1）： 39-48.

[3] Xuan D. J.， Li Z. Z.， Kim J. W.， Kim Y. B.， Optimal operating points of PEM fuel cell stack model with a RSM[J]， Journal of Mechanical Science and Technology， 2009， 23（3）： 717-728.endprint