燃料電池運行控制參數(shù)影響規(guī)律仿真分析

陳秋霖，紀(jì)少波，陳忠言，李朝凱，趙同軍，王豪，程勇

(1.山東大學(xué) 能源與動力工程學(xué)院，山東 濟南 250061；2.山東氫探新能源科技有限公司，山東 濟南 250101)

0 引言

化石能源是非可再生能源，開采、使用和消耗都會污染環(huán)境，尋找更加高效清潔的能源作為車載動力成為當(dāng)前的研究熱點。質(zhì)子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)以氫氣和氧氣為燃料，生成產(chǎn)物是水，能量轉(zhuǎn)換過程具有清潔無污染等優(yōu)點，因此，PEMFC的研究和開發(fā)得到廣泛的關(guān)注[1-3]。PEMFC工作過程中的主要控制參數(shù)包括電堆溫度、膜濕度、陰陽極壓力及陰陽極壓差等，上述控制參數(shù)的優(yōu)化有助于提高燃料電池的性能。

本研究基于Simulink平臺，利用Thermolib工具包建立PEMFC仿真模型，在對模型進(jìn)行驗證的基礎(chǔ)上，分別改變PEMFC的控制參數(shù)，通過電池輸出電壓和輸出功率隨電流密度的變化趨勢，揭示各控制參數(shù)對PEMFC性能的影響規(guī)律。研究結(jié)果對于PEMFC控制策略的制定及優(yōu)化具有一定的指導(dǎo)意義。

1 PEMFC模型搭建及驗證

1.1 Thermolib工具包

采用Thermolib工具包搭建PEMFC的分析模型，Thermolib是由德國EUTech研發(fā)的基于MATLAB/Simulink環(huán)境下的仿真分析工具包，可基于工程熱物理基本原理建模，具備熱力學(xué)狀態(tài)計算功能，是熱力學(xué)及燃料電池仿真的專業(yè)工具包，可提供燃料電池模型仿真所需要的熱力學(xué)、流體力學(xué)及電化學(xué)反應(yīng)等模型庫，以及泵、閥、壓縮機、增濕器、冷卻系統(tǒng)及罐等外圍模型。利用Thermolib可以低成本、快速搭建燃料電池系統(tǒng)，進(jìn)行軟件在環(huán)仿真(software in the loop，SIL)及硬件在環(huán)仿真(hardware in the loop，HIL)開發(fā)，實現(xiàn)控制策略的仿真分析及優(yōu)化。

Thermolib工具包的單電池外部電壓可表示為能斯特電壓與電池電化學(xué)反應(yīng)過程中歐姆損失、活化損失和濃差極化損失電壓的差，計算式為：

Vcell=Enenst-Vact-Vohm-Vcon，

(1)

式中：Enenst為能斯特電壓;Vact為活化極化過電壓;Vohm為歐姆極化過電壓;Vcon為濃差極化過電壓。

在由N個PEMFC燃料電池串聯(lián)組成的電堆中，電堆總輸出電壓

Vstack=N·Vcell,

(2)

式中Vcell為燃料電池電壓。

1.2 模型搭建

以Ballard公司的Mark V PEMFC為仿真對象搭建分析模型，該燃料電池的主要參數(shù)如表1所示。

表1 Mark V PEMFC的主要參數(shù)

基于Mark V燃料電池搭建PEMFC仿真模型，模型包括電堆模塊、陰極供氣系統(tǒng)模塊、陽極供氫系統(tǒng)模塊、冷卻循環(huán)系統(tǒng)模塊及控制系統(tǒng)模塊等部分。陰極供氣系統(tǒng)包括空氣濾清器、空氣流量計、泵、泄壓閥、混合器等模塊；陽極供氫系統(tǒng)包括氫氣罐、電磁閥、氫氣流量計、增壓器、氫氣回收、混合器以及加濕器等模塊；冷卻循環(huán)系統(tǒng)包括三通閥、換熱器、泵等模塊，搭建的模型如圖1所示。

圖1 PEMFC仿真模型

1.3 模型驗證

文獻(xiàn)[4]測試Mark V燃料電池電堆開路狀態(tài)及正常工作時輸出電壓及溫度的變化曲線。按文獻(xiàn)[4]的試驗條件設(shè)置仿真模型的運行參數(shù)并進(jìn)行計算分析，對比計算結(jié)果與試驗結(jié)果的差異。表2為電堆開路及輸出電流為20 A時，電堆輸出電壓及溫度的對比結(jié)果。由表2可見，兩種條件下輸出電壓的最大誤差為4%，電堆溫度的最大誤差為1%。對比結(jié)果表明，模型可以滿足PEMFC燃料電池性能的仿真要求。

表2 試驗數(shù)據(jù)對比驗證

2 不同運行控制參數(shù)影響規(guī)律研究

2.1 溫度對燃料電池的影響

圖2 PEMFC電堆在不同溫度下的極化曲線

圖3 PEMFC電堆在不同溫度下的功率變化曲線

目前PEMFC廣泛采用的是美國杜邦公司的Nafion膜，常用工作溫度為80 ℃。在膜濕度為90%，陽極壓力pa=0.6 MPa，陰極壓力pc=0.1 MPa時，改變PEMFC的電堆溫度，研究電堆輸出電壓及功率隨電流密度的變化趨勢，結(jié)果如圖2、3所示。由圖2可知，在同一溫度下，隨著電流密度的增大，電堆的電壓逐漸降低。由公式(1)可知，電堆輸出電壓隨3個極化過電壓的增大而減小；在同一溫度下，3個極化過電壓均隨電流密度的增大而增大[5-7]，因此PEMFC的輸出電壓隨電流密度的增大而減小。在相同的電流密度下，電堆輸出電壓隨著電堆溫度升高呈增大的趨勢。這是因為隨著溫度的升高，燃料氣體向催化層擴散的速度增加，減小濃差極化作用；催化劑的活性提高，加快反應(yīng)氣體的離子化速度，提高化學(xué)反應(yīng)速率；高溫有利于排出陰極反應(yīng)生成的水，有助于消除電極淹沒問題；在膜水含量充足的情況下，質(zhì)子交換膜內(nèi)水?dāng)U散系數(shù)增加，使得膜內(nèi)水分布均勻，質(zhì)子膜的電導(dǎo)率增加、膜電阻減小，電池性能得到提高。

圖4 PEMFC電堆在不同膜濕度下的極化曲線

由圖3可知，在同一溫度下，隨著電流密度的增大，電堆的輸出功率先升高后下降。這是因為電池輸出電壓隨電流的增大而減小，而功率為電流和輸出電壓的乘積[8-9]，所以功率的變化曲線存在極值。在相同的電流密度條件下，燃料電池電堆功率隨著電池工作溫度的升高而增大，這是因為電堆的輸出電壓隨著燃料電池工作溫度的升高而逐漸增大，使得燃料電池電堆的輸出功率也逐漸增大。隨著溫度的升高，燃料電池的輸出電壓及功率都呈增大的趨勢，過高的溫度會影響燃料電池內(nèi)部的濕度，甚至造成膜脫水，導(dǎo)致質(zhì)子交換膜的濕度不足，使交換膜的傳導(dǎo)率降低，從而影響電池的性能。PEMFC運行過程中需要控制冷卻系統(tǒng)，優(yōu)化電堆溫度，使PEMFC的性能達(dá)到最佳。

2.2 膜濕度對燃料電池的影響

在電堆溫度為353 K，pa=0.6 MPa，pc=0.1 MPa時，改變質(zhì)子交換膜的濕度，研究電堆輸出電壓隨電流密度的變化趨勢，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可見，電流密度相同時，質(zhì)子交換膜的水含量即相對濕度越高，電堆的輸出電壓越高，在相對濕度為100%時達(dá)到最高值，這是由于質(zhì)子交換膜內(nèi)水含量增加，相對濕度提高，可以加快質(zhì)子交換膜內(nèi)的質(zhì)子傳遞速度，提高化學(xué)反應(yīng)速率，減小質(zhì)子交換膜的電阻，增大交換膜的電導(dǎo)率，進(jìn)而提高燃料電池的性能。因此，PEMFC運行過程中需要通過增濕器保持膜的高濕度以提高電池的性能。

2.3 陰陽極壓力對燃料電池的影響

在電堆溫度為353 K，膜濕度為90%，氫氣和氧氣側(cè)壓力不同時，研究電堆輸出功率隨電流密度的變化趨勢，結(jié)果如圖5所示。由圖5可見，當(dāng)氧氣側(cè)壓力固定，電堆的輸出功率隨氫氣壓力的增大而增加；當(dāng)氫氣側(cè)壓力固定時，隨著氧氣壓力的增大，電堆輸出功率先增加后大幅度降低。

圖5 不同氧氣壓力下電堆輸出功率 隨氫氣壓力的變化曲線

電堆工作過程中，氫氣和氧氣通過雙極板擴散到催化層進(jìn)行吸附和解離，壓力增大有利于增加反應(yīng)氣的濃度，加快反應(yīng)氣體的擴散速度，進(jìn)而促進(jìn)反應(yīng)氣體在催化層的吸附，提升化學(xué)反應(yīng)速率，從而改善電堆性能。當(dāng)氧氣側(cè)壓力固定，增大氫氣側(cè)壓力時，由于反應(yīng)速率的提升，使得PEMFC的性能得到改善。當(dāng)氫氣側(cè)壓力固定，適當(dāng)增大氧氣側(cè)壓力時，反應(yīng)速率的提升亦能改善PEMFC的性能，但隨著壓力的繼續(xù)增加，陰極出現(xiàn)積水現(xiàn)象，反而阻礙了氧氣的擴散，使得電堆性能降低。因此，為了提高PEMFC的性能，可以增加氫氣側(cè)壓力，且使陽極壓力高于陰極壓力。因此，提高進(jìn)氣壓力能夠改善電堆性能，但壓力的增加需要考慮電堆密封、壓縮系統(tǒng)的消耗和成本等因素[10-11]，需進(jìn)行合理控制。

圖6 不同壓差下電堆輸出功率 隨電流密度的變化曲線

2.4 壓差對燃料電池的影響

在電堆溫度為343 K，膜濕度為90%，陽極壓力為0.8 MPa，不同陰陽極壓差下，研究電池電堆的輸出功率隨電流密度變化的曲線，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知，PEMFC的輸出功率隨壓差的增大而增加，在壓差0.5 MPa時達(dá)到最大值；同時也可看出，隨著壓差的增大，功率的增加量變小。

陽陰極存在壓差有利于提高氣體從陽極到陰極的擴散速度，提高化學(xué)反應(yīng)速率，提高燃料電池輸出功率。但過高的壓差有可能會使交換膜破裂，損壞膜電極，導(dǎo)致燃料電池出現(xiàn)故障。電堆實際工作過程中需合理控制陽極和陰極的壓差。

3 結(jié)論

基于Simulink平臺，利用Thermolib工具包建立PEMFC仿真模型，研究電堆溫度、膜濕度、陰陽極氣體壓力和壓差等控制參數(shù)對電堆性能的影響規(guī)律，主要結(jié)論如下：

1)提高電堆溫度，活化極化過電壓、歐姆極化過電壓及濃差極化過電壓均呈降低的趨勢，進(jìn)而增大PEMFC輸出電壓和輸出功率，改善PEMFC的性能。

2)質(zhì)子交換膜濕度增加能夠加快質(zhì)子交換膜內(nèi)的質(zhì)子傳遞速度，增大交換膜的電導(dǎo)率，提高PEMFC燃料電池的工作性能。

3)增大陽極壓力能夠加快反應(yīng)氣體的擴散速度，提升化學(xué)反應(yīng)速率；陰極壓力過大導(dǎo)致陰極出現(xiàn)積水現(xiàn)象，對電堆性能有不利影響。

4)增大陰陽極反應(yīng)氣體的壓差，有利于提高氣體從陽極到陰極的擴散速度，加快反應(yīng)進(jìn)行，從而提高PEMFC的輸出功率。