基于實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法的質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)參數(shù)優(yōu)化研究

李峰勛+李振哲

摘 要： 質(zhì)子交換膜燃料電池廣泛應(yīng)用于混合動(dòng)力汽車中，由其無污染特性收到研究者的關(guān)注。首先介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池仿真模型，介紹了仿真模型的構(gòu)成。然后，基于仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞： 渦輪發(fā)動(dòng)機(jī)；熱障陶瓷系統(tǒng)；熱生長(zhǎng)氧化層

本課題研究由國家自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：51401100）、浙江省自然科學(xué)基金（項(xiàng)目編號(hào)：LY16E050006）、溫州市科技計(jì)劃項(xiàng)目（項(xiàng)目編號(hào)：G20150010）資助。

1. 引言

當(dāng)今汽車業(yè)，新能源汽車無疑成了各汽車集團(tuán)乃至各國政府振興汽車業(yè)的一劑良藥。目前世界各國都紛紛出臺(tái)了支持新能源汽車的相關(guān)政策，我國也大力支持著新能源汽車的開發(fā)和使用，燃料電池電動(dòng)汽車也以其節(jié)能環(huán)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(jié)能和環(huán)保已成為現(xiàn)代汽車工業(yè)發(fā)展的主題之際，燃料電池電動(dòng)汽車成為新能源汽車戰(zhàn)略中最具挑戰(zhàn)性和前瞻性的汽車技術(shù)，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(jì)劃在2020年燃料電池汽車進(jìn)入商業(yè)化。日本政府目標(biāo)燃料電池汽車2020年達(dá)到500萬輛，2030年達(dá)到1500萬輛。歐盟也計(jì)劃燃料電池汽車在2020年進(jìn)入商業(yè)化應(yīng)用的起飛階段。我國作為汽車大國，向汽車強(qiáng)國轉(zhuǎn)折時(shí)期，也在承擔(dān)和發(fā)展燃料電池汽車的研發(fā)和應(yīng)用。

由于質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部約40%-50%的能量耗散為熱能，如果沒有有效的熱管理會(huì)致使質(zhì)子交換膜燃料電池溫度上升。同時(shí)，質(zhì)子交換膜燃料電池中膜的電導(dǎo)率與膜中水含量密切相關(guān)。如果膜的水含量過高，容易造成水淹，并導(dǎo)致與其相連的電極或者氣體擴(kuò)散層中的孔道被堵塞；如果膜的水合狀態(tài)過低，不利于質(zhì)子的傳導(dǎo)。因此須對(duì)質(zhì)子交換膜進(jìn)行加濕，以確保質(zhì)子交換膜處于良好的水合狀態(tài)，并且同時(shí)應(yīng)控制適當(dāng)?shù)乃植家员ＷC電池性能。不可否認(rèn)的是，膜的水含量與質(zhì)子交換膜燃料電池內(nèi)部溫度息息相關(guān)。所以，有效的熱管理是保證質(zhì)子交換膜燃料電池高性能和高效率的關(guān)鍵。

本文中首先介紹了質(zhì)子交換膜燃料電池仿真模型，介紹了仿真模型的構(gòu)成。然后，基于仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法優(yōu)化了質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)。

2. 燃料電池模型

基于系統(tǒng)特性， 我們開發(fā)了質(zhì)子交換膜燃料電池堆瞬態(tài)模型。如圖1所示，質(zhì)子交換膜燃料電池堆瞬態(tài)模型包括6個(gè)部分：陰極質(zhì)量流模型、陽極質(zhì)量流模型、膜的水含模型、燃料電池堆電壓模型、陽極氣體擴(kuò)散層模型、陰極氣體擴(kuò)散層模型[3]。

3. 優(yōu)化設(shè)計(jì)

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(shù)（范圍為1.5：3.5），氫氣超額系數(shù)（范圍為1.1：1.6），進(jìn)口空氣濕度（范圍為0.6：1）作為設(shè)計(jì)變量。在設(shè)計(jì)過程中表1的設(shè)計(jì)范圍對(duì)應(yīng)數(shù)字改變成無量綱的數(shù)-1， 0 和1。

我們首先根據(jù)D-optimal實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法，選擇了如下表2所示的試驗(yàn)點(diǎn)。并利用質(zhì)子交換膜燃料電池仿真模型對(duì)實(shí)驗(yàn)點(diǎn)進(jìn)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(jié)論

本文首先介紹了相關(guān)知識(shí)，包括質(zhì)子交換膜燃料電池和一些實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法相關(guān)概念。基于仿真模型，結(jié)合實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)法討論了優(yōu)化質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)的方法。該優(yōu)化方法可以大幅提高質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)性能。

參考文獻(xiàn)

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

[2] 葛善海， 農(nóng)寶廉， 徐洪峰， 質(zhì)子交換膜燃料電池水傳遞模型[J]， 化工學(xué)報(bào)， 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