基于AMESim的燃料電池系統仿真與分析*

張磊 王仁廣 徐元利 孟祥飛

（1.天津科技大學；2.中國汽車技術研究中心有限公司）

目前，氫能與燃料電池已經在部分領域中實現初步商業化[1]。質子交換膜燃料電池（PEMFC）是燃料電池汽車的主要部件，與其他電力系統相比，其具有功率大、零污染和燃料利用率高等優勢，成為汽車有效的動力系統之一[2]。在過去的數十年，質子交換膜燃料電池技術的研究取得了較大成果，但仍存在一些技術上的難題和挑戰[3]，如冷啟動、水熱管理及交換膜的制備等。由于燃料電池成本較高，用于研究會浪費大量勞力與經費，因此利用現有的系統級仿真軟件進行研究是一種快速且直觀的方式[4]。文章在分析質子交換膜燃料電池系統原理后，基于AMESim軟件建立動態的、單電池系統級一維仿真模型，用于研究燃料電池系統的動態特性。

1 質子交換膜燃料電池（PEMFC）系統原理分析

1.1 PEMFC系統

在PEMFC系統中集成一個電堆是非常棘手的問題，PEMFC系統中包含電堆、冷卻輔助設備、空氣和氫氣供應系統、電力轉換裝置和加濕裝置等大量部件，這些部件之間相互作用。同時燃料電池系統涉及電化學、電傳導、熱傳導和流體流動等多種物理現象。文章研究的PEMFC系統主要包含氫氣系統、空氣系統和熱管理系統。電堆溫度、空氣和氫氣輸入量需保持在合適的范圍內，才能保證PEMFC高效率工作。

1.2 電堆模型分析

PEMFC電堆模型較為復雜，包含多個輸入物理量和輸出物理量，通過構建原理分析圖，可梳理輸入量與輸出量的關系，并為之后電堆的研究提供理論依據。燃料電池在運行工作時，由電堆輸出的電能對負載做功，燃料電池的燃料和氧化劑的消耗量與輸出電量的定量關系服從法拉第定律，如式（1）和式（2）所示。

式中：m——電極上析出或溶解的物質質量，g；

K——電化當量，C；

Q——通過的電荷，C；

n——化合價總數的絕對值；

F——法拉第常數，F=96 485.338 3 C/mol；

I——電堆輸入電流需求，A；

M——摩爾質量，g/mol；

t——電化學反應時間，s。

圖1示出系統級電堆模型分析原理圖。

圖1 系統級電堆模型分析原理圖

根據電堆單體數N、法拉第常數F、電堆輸入電流需求I、每個電極板的有效面積S和由極化曲線得出的單體電壓等輸入量，計算可得：陰極H2O產生率，如式（3）所示；陰極O2和陽極H2消耗率，分別如式（4）和式（5）所示；反應放熱量速率，如式（6）所示；輸入電堆電壓，如式（7）所示。

Q——反應放熱量，J；

Ef——電池單體理論電勢，V；

V——電池單體產生電勢，V；

U——輸入電堆電壓，V。

在AMESim中，提供了4種燃料電池電堆子模型，分別為 FCPEMFC1D00，FCPEMFC2D00，FCSOFC1D00，FCSOFC2D00。由于文章只研究PEMFC系統級層面而不研究電堆內部機理，因此本模型使用的電堆子模型為FCPEMFC1D00，該組件必須與混合氣體組件、電氣組件、熱組件和信號組件一起使用。電堆外部變量圖，如圖2所示。

圖2 PEMFC電堆外部變量圖

圖2 中，各單位表示電堆工作時所涉及的變量，箭頭的方向表示輸入到電堆的變量與從電堆輸出的變量，端口1為熱交換端口，端口2為陽極出口，端口3為陽極入口，端口4為電流出口，端口5為電壓入口，端口7為陰極出口，端口8為陰極入口。

1.3 AMESim建模

由于文章旨在研究各物理量的變化，未涉及燃料電池內部的化學反應機理，所以可以通過構建一維系統級模型來模擬質子交換膜燃料電池的性能，通過需求電流計算燃料電池電壓，通過電化學反應損失和熱交換計算電堆溫度。PEMFC系統結構，如圖3所示，根據不同循環工況所需求的功率，可通過式（4）和式（5）計算得出化學反應所需H2和O2的消耗量。空氣和氫氣通過增濕器增加其濕度，通過電堆流道分別進入電堆陰極側和陽極側的催化層進行一系列化學反應，連接外電路最終產生負載所需電流。冷卻系統用于與燃料電池電堆進行熱交換，保證電堆運行溫度穩定在最佳運行溫度。

圖3 PEMFC系統結構

根據圖3，使用AMESim構建系統級仿真模型，如圖4所示。

圖4 PEMFC系統級一維仿真模型

通過AMESim組件庫中的相關組件進行機械連接、電氣連接和信號連接，最終耦合成一個燃料電池系統。該模型電堆參數，如表1所示。

表1 基于AMESim所用電堆參數

除上述參數外，電堆還包含一個更重要的參數——極化曲線，用于表示電極電位與極化電流或極化電流密度之間的關系曲線。燃料電池極化分為活化極化、濃差極化和歐姆極化3個部分，其發生極化的原因是燃料電池在工作狀態下回路中會產生電流，電壓會一直下降，此時整個燃料電池處于不可逆的狀態，電池的工作電壓會小于開路電壓，從而產生電池極化。極化曲線，如圖5所示。

圖5 PEMFC電池電堆極化曲線

低電流下的快速衰減是由各電極的電化學反應導致的活化過電位所引起的；中間值電流的緩慢線性下降是由歐姆過電位所引起的，突顯了燃料電池各部分對電荷載體轉移的阻力；高電流下的快速衰減是由各電極上的反應物轉移失敗導致的活化過電位所引起的。

在此AMESim模型的空氣系統中，設定由體積分數為80%的N2與20%的O2混合而成的“空氣”經增濕器增濕后通入電堆陰極。氫氣系統中，設定H2從氫氣罐中以一定的壓力壓出，經增濕器增濕后進入電堆陽極，未參加反應的氫氣與反應生成的氣態水從電堆陽極流出后經冷凝器排出。

冷卻系統中，冷卻水經冷卻回路帶走熱量為主要散熱方式。散熱風扇為主要散熱執行器，由觸發器控制，設置觸發器觸發開啟溫度為82℃，關閉溫度為70℃。冷卻水流量與冷卻水泵的出口端壓力關系圖，如圖6所示，水泵出口端壓力越小，入口端壓力越大，從而冷卻水流量越大。圖7示出水泵轉速與流量關系圖。

圖6 冷卻管路水流量與水泵的出口端壓力關系圖

圖7 冷卻管路泵轉速與流量關系圖

1.4 AMESim與Simulink聯合仿真

文章中冷卻系統的控制對象為冷卻水泵，以實際冷卻液出入口的溫差值與出入口溫差設定值為目標，經PID控制算法調節與水泵控制電壓，使冷卻水進出口的溫差滿足需求[5]。在AMESim冷卻系統模型中，利用溫度傳感器采集實際冷卻液出入口溫度輸入到Simulink接口。AMESim與Simulink聯合仿真需先配置環境變量和仿真接口，配置方法可上網查閱。利用AME2SL接口將AMESim系統級模型導入Simulink進行仿真調試。圖8示出Simulink控制模型。

圖8 水泵Simulink控制模型

2 仿真結果

設定仿真時間為1 000 s，采樣時間為1 s，最大時間步長為 1 s，激活編譯器 Microsoft Visual C++（64 bit）。圖9示出外接負載需求功率和PEMFC電堆提供的功率及熱功率損失。

圖9 PEMFC外接負載需求功率、PEMFC電堆輸出功率及PEMFC電堆溫升功率對比曲線圖

由圖9可知，需求功率和電堆所提供的功率相吻合，滿足所需功率。溫度升高所消耗的功率屬于損失功率，其主要包括電化學反應產生的熱量、燃料電池系統內阻所產生的熱量以及各部分水的液化，而散熱途徑主要包含3種：熱管理系統中冷卻水循環所帶走的熱量、尾氣排放所帶走的熱量以及熱輻射所散出的熱量，這部分屬于燃料電池系統熱管理范疇。

2.1 電堆輸出特性

根據燃料電池需求功率，仿真得出電堆輸出電壓和電流，如圖10和圖11所示。

圖10 PEMFC電堆輸出電壓曲線

圖11 PEMFC電堆輸出電流曲線

由圖10和圖11可知，輸出電流和電壓的變化趨勢相同且符合功率需求。根據式（8）可計算得出相應的輸出功率（P/kW），結果與功率需求曲線一致。

2.2 空氣與氫氣子系統

圖12示出電堆陰極N2，O2，H2O的摩爾質量分數變化曲線。從圖12可以看出，N2和O2的變化趨勢相同，而O2和H2O的變化趨勢是對立的，電堆內部反應消耗O2的同時產生H2O。

圖12 PEMFC電堆陰極中O2，H 2O，H2的摩爾質量分數圖

燃料氣體加濕是使質子交換膜燃料電池能夠正常運行的重要因素之一，主要是為了保持質子交換膜處于水合狀態，利于催化后的質子通過薄膜。該模型通過增濕器設置了空氣入堆前的目標濕度為90%，氫氣入堆前的目標濕度為25%，仿真運行后觀察堆內濕度，電堆陰陽極氣體入口濕度達到了該效果，如圖13所示。

圖13 PEMFC電堆陰陽極氣體入堆前濕度圖

通過觀察陰陽極氣體增濕耗水量可以發現，陰極氣體攜水量遠比陽極氣體攜水量多，這也間接證明了電堆運行時空氣消耗量要遠比氫氣消耗量大。

2.3 熱管理子系統

設定仿真環境溫度為20℃，冷卻液初始溫度為20℃。圖14示出冷卻液溫度變化曲線及觸發器觸發風扇工作的時刻。冷卻水出口溫度表征著堆內溫度，通入氫氣和空氣時，堆內電化學反應開始，反應時放熱，冷卻水泵開啟，溫度逐漸升高。當運行時間＜160 s，冷卻回路水流量增大，電堆入口溫度升高緩慢，電堆出口溫度由于其內部的不斷反應放熱，呈直線上升；由于其電堆內溫度升高，反應更加充分，放出更多的熱量的同時堆內內阻也會產生一部分熱量，因此電堆出入口溫度上升較為迅速；當堆內化學反應趨于平穩時，由于反應產生的水液化放熱，溫度緩慢升高，達到設定觸發器觸發值（82℃）時，風扇開啟，對冷卻水進行散熱，冷卻水溫度降低后達到穩定狀態，處于最佳反應溫度，實現了較好的熱管理功能。

圖14 PEMFC電堆冷卻液出入口溫度變化圖

3 結論

文章通過AMESim構建質子交換膜燃料電池系統級仿真模型，與Simulink聯合仿真，模擬動態工況下燃料電池系統的工作特性，觀察燃料電池輸出電壓、電流是否符合功率要求，分析電堆內部溫度的變化趨勢，驗證了熱管理系統能使燃料電池一直運行在設定的較佳溫度。

需要改進的有：文章僅構建了簡單的功能性模型，實際燃料電池系統較為復雜，其含有空壓機、去離子器、PTC（用于冷啟動）、節溫器等重要部件；熱管理建模時需考慮冷卻水溫度的滯后性和響應慢等特點。