聚合物電解膜燃料電池堆的開發(fā)

J.RECHBERGER H.SORGER

燃料電池為商用車的低碳運行作出了重要的貢獻。AVL公司旗下的研究人員目前已開發(fā)出了1種聚合物電解膜燃料電池堆和1款專用的模擬軟件，以便在設(shè)計要求、軟件可能性及試驗數(shù)據(jù)之間進行深入的研究和優(yōu)化。聚合物電解膜;燃料電池;商用車

0 前言

出于降低CO2排放的目標，重型商用車實現(xiàn)低碳運行是研究人員目前面臨的1項艱巨挑戰(zhàn)工作。因為商用車必須在持續(xù)的高功率狀態(tài)下行駛，如果使其僅通過蓄電池驅(qū)動，會導致一系列問題。燃料電池同樣能對商用車的低碳運行作出重要貢獻，并且不會像蓄電池商用車一樣產(chǎn)生諸多弊端。基于該原因，AVL公司旗下的研究人員開發(fā)了1種聚合物電解膜燃料電池堆（圖1）。研究人員通過高品質(zhì)的模擬過程以改善其技術(shù)參數(shù)，并對燃料電池的性能和品質(zhì)作出最佳預測。

更低的運行成本、更高的效率和更長的使用壽命是商用車開發(fā)過程中的決定性因素，但在燃料電池系統(tǒng)中，冷卻系統(tǒng)產(chǎn)生的影響則更為重要。通過對不同方案和場景進行模擬，研究人員為燃料電池堆選定了設(shè)計參數(shù)（表1），并將其用于進一步的試驗過程中。基于聚合物電解膜燃料電池系統(tǒng)的開發(fā)經(jīng)驗，研究人員選擇了研發(fā)初期階段的運行條件，以便通過現(xiàn)有的零部件即可獲得1種具有更低燃料消耗，且更為堅固耐用的系統(tǒng)。同時，研究人員通過專門開發(fā)的濕膜模型研究了電池堆結(jié)構(gòu)，隨后又選擇了有效面積為275 cm2的電池堆。該電池堆共配備有330片電池。同時，研究人員在同一模擬過程中分析了電池片內(nèi)部和電池片之間的特定目標值，從而使氫燃料、空氣和冷卻液流量得以均勻分配。

1 功率評估

在研究人員對電池堆結(jié)構(gòu)進行設(shè)計時，實現(xiàn)具有快速時間趨同性的可靠功率模擬過程有著較高重要性，以此能無滯后地對場景進行分析。因為研究人員選擇催化劑涂層膜（CCM）材料的過程與氣體擴散層（GDL）材料相似，均存在著多種方案。研究人員為此已對多種場景進行了研究，以便查明雙極板流場的最佳流道寬度。為實現(xiàn)更長的使用壽命及更精細的幾何形狀和尺寸，研究人員應選用合適的碳板。在作出選擇后，研究人員從制造過程和系統(tǒng)誤差等方面提出了相關(guān)要求。同時，這些要求又是得出最終流場幾何學的基礎(chǔ)。隨后，研究人員需要經(jīng)歷多次優(yōu)化CCM、GDL及流場的過程，方可得出最終的結(jié)構(gòu)組成。

2 滿足要求的極板設(shè)計分析

在選定用于膜電極單元（MEA）和雙電極板的材料后，研究人員應重點關(guān)注流動分布狀況。功率模擬可用于確定電池片內(nèi)部和電池片之間流動分布均勻性的目標值，研究人員為此需要進行精準的三維計算流體動力學（3D-CFD）模擬，以便優(yōu)化設(shè)計，并使系統(tǒng)維持均勻流動的分布狀態(tài)。

研究人員借助于雙電極板的計算機輔助設(shè)計（CAD）模型確定了模擬方案。為了達到較高的精度，應開發(fā)相應的模擬方法，但由此會帶來較高的成本。為了減小計算強度并減少計算成本，研究人員已在幾何學上進行了適當?shù)暮喕瑥亩趯δM計算精度影響最小的情況下，充分縮短了計算時間。AVL公司旗下的研究人員對電池片及其內(nèi)部的流動過程進行了模擬，從而滿足系統(tǒng)對均勻流動分布的要求。

影響極板流動分布的1個臨界部件位于流場開始出現(xiàn)阻抗的位置，該位置對于電池片實現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出有著重要影響。如不對其進行優(yōu)化，還會影響到電池片和電池堆的其他關(guān)鍵性能，包括電池功率密度、偏離設(shè)計運行條件的誤差，以及電池片對冷起動的適應性等重要因素。研究人員借助于3D-CFD模擬軟件，可在構(gòu)件誤差允許的情況下，預測到即將出現(xiàn)的偏差，從而避免流體出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象并實現(xiàn)所需的目標值。圖2示出了這種結(jié)果的實例。流體從流量較少的進口通道流入1個廣闊的分布區(qū)域，再從此處流入流量較高的有效流道中。整個流動區(qū)域被施加了一定壓力，并承受著由3種不同工作介質(zhì)所產(chǎn)生的周期性壓力波動。為此，減小其強度和剛度就顯得較為重要。

上述分析的結(jié)果被研究人員用于改善進口的幾何特征，從而能在不降低單個零件剛度的情況下減小該區(qū)域內(nèi)的流動阻力。此外，在極板上還分布有數(shù)個部件，從而可使系統(tǒng)在整個設(shè)計范圍內(nèi)都能承受較高的負荷。因為涉及到碳復合材料，就臨界意義而言，足以確定其材料性能，從而能獲得精確的有限元（FEM）模擬結(jié)果。以此可在較小的材料延伸率情況下有所儲備，并有利于提高安全性。

圖3示出了流體介質(zhì)分布范圍內(nèi)FEM的分析實例。在相似情況下，研究人員通過FEM分析得知，在某個偏離正常運行狀況的條件下會超越目標值，于是評估了幾個潛在的解決方案。這些方案應產(chǎn)生盡可能小的幾何學變化，以便既不會使功率密度降低，同時也不影響到均勻的流動分布狀況。

3 使用壽命的分析

由于存在各種可能對系統(tǒng)產(chǎn)生損害的運行條件，從而使聚合物電解膜燃料電池的使用壽命難以預測。此類損害通常由電池的內(nèi)部空間條件所引起，研究人員必須從空間上消除相應的負荷。不久前，AVL公司旗下的研究人員為改善聚合物電解膜燃料電池的物理性能，從而對電池片表面的主要負荷進行了評估。雖然這些軟件功能目前尚處于開發(fā)過程中，但已被用于某些運行工況點條件下的設(shè)計與分析過程中。圖4示出了這種功能的2個實例，分別為分散在空間的H2O2形成速度與電解膜的水含量分布。AVL公司所提出的適應方案的和另一些局部負荷模擬結(jié)果已通過了加速應力試驗（AST），以便預測燃料電池堆的使用壽命。

目前，所開展的AST試驗有助于評估催化劑涂層和燃料電池堆電解膜的使用壽命。這些試驗結(jié)果與分散在空間的負荷信息和行駛循環(huán)相結(jié)合，研究人員就能對基于使用壽命的負荷累積情況有進一步了解。這些測量方式必須能應用于不同的負荷和故障型式，然后將其組合并集成到AVL公司的負荷矩陣中，對其使用壽命進行預測。

4 樣品制造和首次試驗

燃料電池堆通常由許多單個電池片組成。研究人員為了對燃料電池的設(shè)計性能進行驗證，盡管無需對整個電池堆開展試驗，但必須了解到硬件配置和試驗裝置的潛在作用。由于每個電池片在電池堆中的位置彼此相異，由此會產(chǎn)生不同的邊界條件。該現(xiàn)象會反過來影響到試驗結(jié)果。出于該原因，研究人員選擇了由10個電池片組成的最小電池堆，并以此開展試驗。

由于燃料電池堆通常配備有碳板極，樣品會使用經(jīng)銑削加工的雙極板。該舉措有助于快速地實現(xiàn)全新的設(shè)計方案，并大幅降低制造要求，因此首件樣品的成本要明顯低于沖壓金屬板，同時也提高了構(gòu)件的允差。因為與沖壓成形這一方案相比，為數(shù)較少的幾個相同零件通常采用銑削加工成形。但如果在首個電池堆的樣品上采用該類方式，可能會使某些敏感性較高的試驗產(chǎn)生錯誤的試驗結(jié)果。

圖5示出了配備有10個電池片的燃料電池堆功率試驗結(jié)果與實際燃料電池功率模擬結(jié)果的比較。在模型與真實試驗數(shù)據(jù)之間，總體偏差會在適當范圍內(nèi)進行變動，并會在極化曲線極限范圍內(nèi)出現(xiàn)某個峰值。

在電流強度較小的情況下，電池片呈現(xiàn)出比模擬狀態(tài)下更好的反應動力學，但是在電流強度超過額定電流強度550 A的運行工況點情況下，模型預測值總體優(yōu)于真實值。同時，在燃料電池堆以額定工況運行時，模型與試驗數(shù)據(jù)之間存在較高的一致性。為了優(yōu)化模型的輸入?yún)?shù)，并提高電流強度和邊界條件范圍內(nèi)的模型可靠性，研究人員進行了專門試驗，并提供了相關(guān)試驗報告。圖5清楚地表明了基于電池堆功率目標的誤差范圍。由于該范圍已得以擴展，由此會存在幾種重新分配設(shè)計參數(shù)的可能性：（1）維持最初的設(shè)計點目標效率，但電池堆尺寸減小，且成本降低;（2）維持最初的設(shè)計點目標效率，但額定功率有所提高;（3）效率有所提高，但電池堆尺寸和額定功率保持不變。

另1類已經(jīng)受檢驗的范圍是電池堆的電阻或壓力損失。圖6示出了試驗電池堆的壓力損失與初期CFD模擬的比較。在該情況下，無論是負極還是正極的電阻都要比經(jīng)簡單CFD模擬而預測出的電阻高。

試驗前，樣品極板通過具有較高分辨率的激光掃描以控制其加工精度，研究人員從而能推斷出構(gòu)件加工尺寸的誤差是否會受到影響。測量結(jié)果清楚地表明，研究人員在模擬過程中仍需要考慮其他相關(guān)因素。在近期研究的基礎(chǔ)上，研究人員已開發(fā)出了最新的CFD算法，以便進一步改善基于壓力損失的預測精度。圖6表明精度的提高應歸因于得以擴展的CFD算法。

5 結(jié)語和展望

燃料電池將為商用車的低碳運行作出重要貢獻，不過目前研究人員目前仍缺乏相應的試驗數(shù)據(jù)。正如內(nèi)燃機的發(fā)展歷程一樣，燃料電池技術(shù)的開發(fā)難點在于對功率和使用壽命的精確模擬。燃料電池堆與模擬軟件的開發(fā)過程處于平行且交互的狀態(tài)，從而使得設(shè)計要求、軟件可能性與試驗數(shù)據(jù)之間能進行協(xié)同調(diào)整。精確的模擬過程是影響成功的關(guān)鍵因素，因此AVL公司旗下的研究人員選擇了這種涵蓋了軟件開發(fā)、模擬、設(shè)計、樣品制造和試驗等多方面的研究方式。因為該類燃料電池技術(shù)相對成熟，所介紹的研究方式也具有最高的成功可能性，并能將風險降至最低程度，同時具有最高的商業(yè)化潛力。

在該項目的下一階段，研究人員將開展多次加速應力試驗，以說明其現(xiàn)有設(shè)計方案的穩(wěn)定性。同時，該類試驗還要與相關(guān)模擬過程相結(jié)合，以便預測負荷在空間和時間上的波動及其對電池堆使用壽命的影響。此類結(jié)果將在后續(xù)的研究過程中得以展示，以便彰顯其在行駛循環(huán)模擬環(huán)境中的性能優(yōu)勢，同時也需要展示出電池堆和系統(tǒng)零部件的瞬態(tài)特性，以便能推導出使用壽命的長短，以及用于各種場合和設(shè)計優(yōu)化過程的參數(shù)指標。