車用質(zhì)子交換膜燃料電池仿真技術(shù)路線

張斌 莊才敖 鄭宇

摘要：質(zhì)子交換膜燃料電池作為燃料電池中重要的一種類型，可應(yīng)用于汽車及小規(guī)模的發(fā)電站與便攜式移動能源，是當(dāng)前新能源領(lǐng)域的研究熱點。主要針對車用質(zhì)子交換膜燃料電池的三種仿真參數(shù)模型就當(dāng)前國內(nèi)外研究進(jìn)展進(jìn)行論述。

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.

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）;仿真模型;技術(shù)路線

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

中圖分類號：TM911.4? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-957X（2021）06-0210-03

0? 引言

燃料電池作為一項具有廣闊應(yīng)用前景的能源技術(shù)，具有高效率、低排放、低噪音及模塊化等優(yōu)勢[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池作為其中極其重要的一個種類，有望大規(guī)模應(yīng)用于汽車、發(fā)電、移動電源等眾多領(lǐng)域，減輕當(dāng)前面臨的汽車尾氣排放及燃煤污染物排放所帶來的環(huán)境問題與溫室氣體造成的氣候問題[2]。質(zhì)子交換膜燃料電池的單電池結(jié)構(gòu)主要包括陽極流場、膜電極結(jié)構(gòu)（陽極擴散層、陽極催化層、質(zhì)子交換膜、陰極催化層、陰極擴散層）、陰極流場[3]。其中陰陽極流場結(jié)構(gòu)影響進(jìn)入擴散層流體的壓力、流速以及電流傳導(dǎo)與熱傳導(dǎo)等因素，一直是燃料電池研究的熱點[4]。而核心組件即是質(zhì)子交換膜和膜兩側(cè)的多孔電極，質(zhì)子交換膜必須保證足夠高的質(zhì)子導(dǎo)電性以及能夠化學(xué)和機械穩(wěn)定性[5]。多孔電極即發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的催化劑薄層，保證反應(yīng)氣體、電子、質(zhì)子都能參與反應(yīng)。氣體擴散層則為反應(yīng)氣體從流場進(jìn)入反應(yīng)區(qū)域提供路徑并與雙極板相連使電子形成電路以及為膜電極結(jié)構(gòu)提供機械支撐。雙極板雖然不出現(xiàn)在單電池中，卻是構(gòu)成電池組的因素，將一個電池的陽極與相鄰電池的陰極進(jìn)行電氣連接并隔絕氣體防止?jié)B透又為電池組提供了結(jié)構(gòu)支撐以及起到傳導(dǎo)熱量的作用。燃料電池各組件的材料特性、反應(yīng)機理等比較復(fù)雜，試驗成本較高，數(shù)值仿真技術(shù)可以優(yōu)化燃料電池系統(tǒng)的設(shè)計與匹配，對試驗研究起到指導(dǎo)與輔助作用[6]。常用的仿真模型包括分布參數(shù)模型、集總參數(shù)模型以及混合參數(shù)模型[7]。

1? 分布參數(shù)模型

分布參數(shù)模型即以燃料電池仿真涉及的各種守恒方程，包括質(zhì)量守恒、動量守恒、電荷守恒、能量守恒、組分守恒等守恒方程來描述燃料電池內(nèi)部參數(shù)[7]，包括電池內(nèi)部流體（氫氧燃料電池主要為H2、O2;直接甲醇燃料電池為甲醇溶液）的壓力、流速、濃度、溫度等參數(shù)以及液態(tài)水與電流密度的分布情況等。分布參數(shù)模型可以詳細(xì)的描繪電池內(nèi)部情況，但一般忽略了燃料電池配套設(shè)施比如燃料供給系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)等的影響。常用的商用仿真軟件包括Fluent、COMSOL Multiphysics等。

1.1 流場結(jié)構(gòu)對PEMFC影響

在分布參數(shù)模型下，羅鑫等基于COMSOL Multiphysics軟件比較了不同流場形式對PEMFC性能的影響，通過對陰陽極流體濃度與電流密度的比較發(fā)現(xiàn)交指型流道的排水效果最好，功率密度也最高[8]，見圖1。蛇形流場是目前廣泛應(yīng)用的流場形式，單蛇形流場由于流道長度較長，壓降較大[9];不如多通道蛇形流場適用于面積較大的流場;相對于二通道的流場結(jié)構(gòu)，三通道流場結(jié)構(gòu)會使反應(yīng)氣體及電流密度分布更加均勻[10]。

1.2 PEMFC內(nèi)部傳質(zhì)現(xiàn)象

水的凝結(jié)速度可以表示為：

其中rw表示水凝結(jié)速度，K表示絕對滲透率，ρl表示液態(tài)水密度，s為水的飽和度，pc表示孔隙介質(zhì)毛細(xì)壓力，ε為孔隙率，μl表示液態(tài)水粘度。

陽極流道入口與陰極流道入口的位置會影響PEMFC內(nèi)部水濃度分度。陽極流道入口與陰極流道入口成對角線布置（逆流）時，平均水含量更高。因此采用逆流布置可以提高燃料電池的自增濕效果[11]，見圖2。但當(dāng)燃料電池內(nèi)水濃度過高時產(chǎn)生的“水淹”現(xiàn)象會對電池性能產(chǎn)生嚴(yán)重的不利影響，此時可以通過優(yōu)化流道結(jié)構(gòu)，如采用變寬度流道結(jié)構(gòu)[11];以及改變進(jìn)氣相對濕度[12]等手段加以控制。

1.3 PEMFC特殊工況分析

對于燃料電池的一些特殊工況需要進(jìn)行動態(tài)的研究分析，比如啟動工況與變負(fù)載工況等。啟動工況常用電流密度隨時間變化曲線來表征，電流密度在短時間內(nèi)上升并達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)則啟動成功[13]，見圖3。流場結(jié)構(gòu)形式[14]、進(jìn)氣參數(shù)、電池堆內(nèi)單電池個數(shù)[15]、質(zhì)子交換膜特性[16]等都會對燃料電池啟動性能產(chǎn)生影響。

當(dāng)負(fù)載發(fā)生階躍變化時，電池電壓容易產(chǎn)生“overshoot”（陡升）與“undershoot”（陡降）現(xiàn)象[17]。如燃料電池汽車在加載瞬間電池電壓會發(fā)生陡降的現(xiàn)象。這種不利現(xiàn)象會降低電池堆的性能表現(xiàn)甚至導(dǎo)致電池堆的不可逆損害[7]。這種現(xiàn)象主要由氣體供應(yīng)滯后和電池內(nèi)部液態(tài)水的積累所造成[7]。當(dāng)電池電流密度突變時還會導(dǎo)致電池溫度的動態(tài)變化[18]。

2? 集總參數(shù)模型

集總參數(shù)模型仿真速度快、操作簡便，可以用來分析燃料電池的動態(tài)響應(yīng)性與系統(tǒng)控制，但無法得到燃料電池內(nèi)部參數(shù)的分布情況[7]。最常使用的仿真軟件是Matlab/Simulink仿真平臺。

對于PEMFC的系統(tǒng)控制主要包括了機理模型與經(jīng)驗?zāi)Ｐ蚚19]以及以經(jīng)驗?zāi)Ｐ蜑榛A(chǔ)，考慮質(zhì)子交換膜燃料電池配套系統(tǒng)的半經(jīng)驗半機理模型[20]。可以基于算法控制燃料電池堆的溫度[21]、流道內(nèi)流體流量的控制[22];利用集總參數(shù)模型研究PEMFC結(jié)構(gòu)與參數(shù)對性能的影響如流道布置方式對傳熱傳質(zhì)效果的影響[23];采用動態(tài)集總參數(shù)模型分析PEMFC系統(tǒng)的動態(tài)特性[24]以及建立PEMFC輔助系統(tǒng)的模型分析[7]。

3? 混合參數(shù)模型

仿真模型的研究由一維拓展到二維和三維模型，從PEMFC的特定區(qū)域拓展到單電池以及電池堆的整體性能仿真[6]。對于PEMFC的仿真建模而言，分布參數(shù)與集總參數(shù)模型各有優(yōu)勢也各有不足。因此，將兩種參數(shù)模型相結(jié)合的混合參數(shù)模型在PEMFC的仿真分析中更具優(yōu)勢。首先利用分布參數(shù)模型建立燃料電池堆的仿真模型，可以得到電池內(nèi)部參數(shù)的分布情況;利用集總參數(shù)模型建立輔助系統(tǒng)如空壓機、增濕器、燃料供給系統(tǒng)等的仿真模型[7]，便可以充分發(fā)揮兩種參數(shù)模型的優(yōu)勢，得到PEMFC工作時，隨著運行參數(shù)的改變，內(nèi)部物理量的動態(tài)響應(yīng)。常用的仿真方法即利用Simulink的S-函數(shù)與Fluent軟件日志文件建立兩者的接口[25]，模擬更接近真實的PEMFC系統(tǒng)運行狀態(tài)。

目前有關(guān)燃料電池領(lǐng)域的混合參數(shù)模型研究還很匱乏，但基于混合參數(shù)模型仿真模擬的巨大優(yōu)勢，可以想見未來的研究潛力巨大。

4? 質(zhì)子交換膜燃料電池在汽車上的應(yīng)用

當(dāng)下的新能源汽車以純電動汽車和插電式混合動力汽車為主，儲能裝置為鋰電池，受鋰電池技術(shù)的影響，純電動汽車的續(xù)航里程短、冬季續(xù)航斷崖式下跌和充電時間長，其便利性一直不如傳統(tǒng)燃油車。鋰電池隨著充放電次數(shù)的增加，電池容量也會不斷衰減，最直接的表現(xiàn)就是純電動汽車使用三年后，續(xù)航里程嚴(yán)重縮短。鋰電池報廢后，也會產(chǎn)生較大的環(huán)境污染。

質(zhì)子交換膜燃料電池汽車解決了大部分純電動汽車上的問題，燃料電池的是一種高效的能源轉(zhuǎn)換裝置，實際轉(zhuǎn)換效率在40-60%[26]。主要參與的反應(yīng)物是氧氣和氫氣，氧氣可直接從空氣中獲取，只需另外加注氫氣，反應(yīng)后的主要產(chǎn)物是水，是非常清潔的能源裝置。我國氫燃料電池汽車?yán)塾嬐茝V應(yīng)用超過2000輛，投入運行加氫站有12 座，且在北上廣等地均開展了示范應(yīng)用[27]。車用質(zhì)子交換膜燃料電池在新能源汽車的應(yīng)用前景十分廣闊，能夠有利解決環(huán)境污染問題，同時改善我國的能源結(jié)構(gòu)。

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