燃料電池發(fā)動機水熱管理仿真分析綜述

戴劉亮

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，可應用于汽車及小規(guī)模的發(fā)電站與便攜式移動能源，是當前新能源領(lǐng)域的研究熱點。主要針對質(zhì)子交換膜燃料電池不同維度的水熱管理仿真模型的研究現(xiàn)狀進行了論述。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）;仿真模型;水熱管理

Abstract： As an important type of fuel cells， proton exchange membrane fuel cells can be applied to automobiles and small-scale power stations and portable mobile energy sources， which is currently a popular research topic in the field of new energy. This paper mainly discusses the research status of simulation models in different dimensions for water and thermal management of proton exchange membrane fuel cell.

Key words： proton exchange membrane fuel cell （PEMFC）;simulation model;water and thermal management

1? 背景

隨著科技的發(fā)展，對能源的需求越來越大，而我國的化石能源資源供應有限，無法滿足日益增長的能源需求;同時化石能源的大量使用會造成嚴重的環(huán)境污染，與可持續(xù)發(fā)展觀相違背，因此對于找到一種清潔的可持續(xù)發(fā)展的新能源顯得至關(guān)重要。

目前已知的新能源有太陽能、風能、氫能、核能、潮汐能、地熱能等。氫燃料電池作為一種能源轉(zhuǎn)化裝置可以將化學能直接轉(zhuǎn)化成電能，能量利用效率高，具有廣闊的發(fā)展前景。燃料電池的應用領(lǐng)域廣泛，比如車用、船用、航天航空、備用電源、發(fā)電站等多個領(lǐng)域。質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）作為一種常見的燃料電池具有能量利用效率高、零排放、簡單和低成本的潛力、無噪聲、工作溫度低的特點。但是，就目前而言PEMFC的大規(guī)模商業(yè)化受限于三個因素：成本、使用壽命以及性能[1]。

2? 熱管理的重要性

PEMFC工作的主要原理是氧化還原反應，氫氣與氧氣以不燃燒的方式產(chǎn)生化學反應生產(chǎn)水、電能以及熱能，化學方程式如下：

陽極：H2→2H++2e-

陰極：1/2O2+2H++2e-→H20

總反應：1/2O2+2H+→H20+電能+熱能

在燃料電池運行中存在多種傳輸現(xiàn)象，比如在氣體傳輸中的氣液兩相的傳輸、氣體的傳輸、水的蒸發(fā)與凝結(jié)、質(zhì)子交換膜中水的吸附與解吸附、化學反應中的電子與質(zhì)子的傳輸以及熱傳導等等，而這些現(xiàn)象都與溫度密切相關(guān)。此外，PEMFC的最佳工作溫度在60～90℃，溫度過高會導致膜的脫水，導電性能下降，使得電堆的性能降低;在低溫工作時，若是水熱管理不當，極易造成液態(tài)水淹，也會造成冷啟動的失敗，使電堆性能下降，壽命減少[2];電堆對工作時的溫差也有要求，進出口的溫差不超過15℃，需要堆內(nèi)溫度有著較好的一致性。由此可見，水熱管理對于燃料電池來講是極其重要的一環(huán)，對提高電堆的性能和使用壽命起到至關(guān)重要的作用。

3? 熱管理仿真介紹

近十幾年來，許多科研人員花費大量的時間、精力和物力來研究如何提升電堆性能，提高系統(tǒng)效率，在水熱管理這一項上，做了許多實驗，創(chuàng)建了各種數(shù)學模型來模擬分析。最早是由Dawn M. Bernardi和Mark W. Verbrugge[3]提出了一種用于模擬聚合物電解質(zhì)燃料電池的氧氣側(cè)的電極。但是，努森數(shù)[4]表明：在PEMFC的不同介質(zhì)中，這些傳輸現(xiàn)象的尺度是不同的。在模擬流道和氣體擴散層中的氣體和液體時一般會采用流量體積法[5]（VOF），從宏觀的角度追蹤氣體和液體的相界面;在模擬仿真多孔電極中的氣液兩相流是則會使用格子玻爾茲曼方法[6]（LBM，LatticeBoltzmann Method），LMB（介觀尺度）具有出色的數(shù)值穩(wěn)定性和多樣性，在處理分子動力學和復雜的幾何學上的問題時有著巨大優(yōu)勢;在微觀尺度上，一般采用分子動力學[7]（Molecular Dynamics，MD）和量子力學[8]（Quantum Mechanics，QM）的方法，以后也許會采用更加先進的方式。

在目前的各種數(shù)學模型和數(shù)值模型中，按維度可以分為一維、二維、三維、準二維以及準三維，按尺度可分為宏觀、介觀和微觀。從宏觀角度的模擬分析一般會將多孔電極（氣體擴散層、微孔層、催化劑層）認為是同種多孔介質(zhì)并且忽略氣液界面。而在一維、二維、準二維和準三維模擬仿真中為了提高計算效率會有許多假設(shè)條件和簡化，但這也使得計算精度降低了[9，10]。下面主要會按照維度的不同介紹一維仿真和三維仿真。

3.1 一維仿真介紹

在燃料電池系統(tǒng)中，一般可分為空氣子系統(tǒng)、氫氣子系統(tǒng)、水熱管理系統(tǒng)以及電控系統(tǒng)，如圖1所示?？諝庾酉到y(tǒng)中包括空氣濾清器、流量計、空壓機、加濕器、三通電磁閥和節(jié)氣門;氫氣子系統(tǒng)則是由氫進電磁閥、引射器、汽水分離器、尾排電磁閥組成，在某些系統(tǒng)中還會再加入氫氣循環(huán)泵提高氫氣利用率;水熱管理系統(tǒng)是由水泵、三通電磁閥、加熱器、散熱器和膨脹水箱構(gòu)成，冷卻液一般采用去離子水和乙二醇。合理的熱管理可以減少寄生功耗，提高系統(tǒng)效率。

在國內(nèi)，馬天才等人[12]基于Matlab/Simulink建立了溫度控制仿真模型，可以在不知道系統(tǒng)內(nèi)部精確的結(jié)構(gòu)參數(shù)和具體特性就完成對系統(tǒng)的控制，系統(tǒng)中包含電堆、水泵、散熱器、分流閥等。

陳瀟等人[13]使用的軟件則是FLOWMASTER2，主要研究了不同熱管理條件對電堆輸出性能的影響，得出了電堆溫度可以通過冷卻風扇的轉(zhuǎn)速來調(diào)控而水泵轉(zhuǎn)速則可以控制電堆溫差并且雙散熱器并聯(lián)優(yōu)于雙散熱器串聯(lián)的結(jié)論。

郭愛等人[14]建立的熱管理仿真模型將內(nèi)部各部件的溫度看作均勻分布、忽略管路中的動能和勢能變化、忽略輻射換熱，研究了旁路閥、冷卻液循環(huán)泵和散熱器對電堆溫度和系統(tǒng)效率的影響，為電堆智能控制提供了依據(jù)。

史青[15]將一維熱管理仿真與控制策略相結(jié)合，改進了傳統(tǒng)的控制策略，加快了響應速度和控制精度。

近幾年的一維熱管理仿真越來越偏向控制策略方向，在合理假設(shè)的前提下研究各個運行參數(shù)比如進氣濕度、壓力、進氣速度等對電堆輸出性能的影響，提出各種合理有效的控制策略。

3.2 三維多相流體仿真模型介紹

燃料電池的三維仿真按照計算域的不同可分為單流道燃料電池仿真、單節(jié)燃料電池仿真、小型電堆仿真，如圖2所示。受限于計算能力，并不能做到對大型電堆的模擬仿真。

單流道燃料電池仿真中的部件包括陰陽極兩側(cè)的雙極板、氣體流道、氣體擴散層、微孔層、催化劑層以及質(zhì)子交換膜。但是單流道的仿真中一般沒有冷卻流道，忽略了溫度的影響。在實際情況中，溫度分布對燃料電池的影響不可忽略[1]。而在單流道仿真中并不能反映出流場對燃料電池的影響。單流道仿真的優(yōu)點也很明顯，它的計算量和耦合難度都遠小于單節(jié)電池仿真與小型電堆仿真。

3.2.1 氣體流道中的仿真

在氣體流道中，一般都是氣體與液體共存的。液態(tài)水以水滴的形式隨機分布在氣體擴散層表面，在毛細壓力的作用下逐漸擴散到氣體流道一側(cè)表面形成液滴，由氣體吹離氣體擴散層[1]，如圖3所示。在氣體流道的仿真中一般會采用VOF方法，這種方法可以有效的追蹤氣相與液相的相界面，也能考慮到液體表面張力和壁粘連帶來的影響。由Niu等人[16-18]提出的一種兩相流湍流模型就是采用的直接數(shù)值模擬方法和VOF方法。

但是，VOF方法最大的不足就是時間步長過長，在考慮更加細節(jié)的相界面時無法與其他傳輸現(xiàn)象相結(jié)合，從而會忽視這些傳輸現(xiàn)象，因此VOF方法的計算域一般只包括氣體流道和氣體擴散層，在多孔電極和質(zhì)子交換膜中并不適用[19]。

目前，大多數(shù)模型都會將流道中液態(tài)水的存在狀態(tài)假設(shè)成薄霧狀，這樣就可以兩相流模型簡化成單向流模型，縮短了計算時間，降低了與其他傳輸現(xiàn)象耦合的難度[20，21]。

3.2.2 氣體擴散層中的仿真

在實際應用中，氣體擴散層（GDL）一般是由基底層（GDM）和微孔層（MPL）組成，在電堆中保持一定機械支撐的基礎(chǔ)上，保證水的正常排除，不至于造成液態(tài)水的堆積，具有一定的疏水性。氣體擴散層中有無微孔層差距極大，沒有微孔層極易產(chǎn)生“樹根圖”，不利于水的排出;有了微孔層則利于引導水的傳輸路徑，如圖4所示。

但是，在大部分仿真模型中都會忽略微孔層的存在，也有部分模型會將氣體擴散層、催化劑層都看成同一屬性的多孔介質(zhì)，但是各層的尺度是不一樣的。在GDL的建模中一般會采用史蒂夫-麥克斯為模型，如果考慮到努森擴散則大多會采用塵氣模型或者布勒格曼（Brugggman）模型。劉洪建等人[23]對Bruggman方程進行了修正，修改了其中的γ和β參數(shù)，使得計算結(jié)果在高電流密度區(qū)更加接近實驗數(shù)值。

3.2.3 催化劑層的仿真

催化劑層（CL）是整個燃料電池中最薄的一個部分，也是化學反應發(fā)生的主要場所，算是燃料電池中最為復雜的一部分。催化劑層中催化劑的分布方式和含量都影響著電化學反應的進行，影響著整個燃料電池堆的性能，這一層也是造價最貴的一部分，是燃料電池商業(yè)化需要克服的難題之一。

催化劑層、微孔層和氣體擴散層也被統(tǒng)稱為多孔電極，他們都屬于多孔介質(zhì)，所以一般也會采用LBM，從介觀尺度上描述多孔電極層中的各種傳輸現(xiàn)象。Bo Han等人[25]提出了一種采用LBM的一種三維仿真模型，研究了多孔電極層中水的兩相傳輸現(xiàn)象。

3.2.4 質(zhì)子交換膜中的仿真

質(zhì)子交換膜的電解質(zhì)材質(zhì)一般是聚乙烯聚合物和不同全氟硫酸單體的共聚物。目前市面上有很多質(zhì)子交換膜，比如杜邦的Nafion、Fumatech公司的Fumion、Asahi Glass的Flemion、Asahi Chemical研發(fā)的Aciplex等，其中最出名最廣泛應用的便是杜邦公司的Nafion膜。質(zhì)子交換膜的電阻、干燥、濕潤、變形都嚴重影響著燃料電池的性能，是燃料電池的重要組成部分。

在膜的建模中常見的模型有微觀物理模型、擴散模型、液壓模型、液壓-擴散模型以及聯(lián)合模型。隨著科技的發(fā)展，分子動力學（MD）仿真模型也被越來越多的人用于研究PEMFC，Zhonghao Rao等人[26]用MD模型從微觀角度研究了膜中質(zhì)子傳導的過程。

4? 期望

目前，關(guān)于PEMFC的仿真已經(jīng)不再是單純的一維仿真或是三維仿真，出現(xiàn)了許多一三耦合的仿真，有些考慮到最新出現(xiàn)的陽極循環(huán);還有些是為了提供更加準確的邊界條件，為了能更好的與電堆系統(tǒng)相匹配，降低寄生功耗，做出響應速度更快、控制精度更高的控制策略。在未來，隨著PEMFC技術(shù)的飛速發(fā)展，會出現(xiàn)越來越多的技術(shù)比如雙極板材料的改變、催化劑層的優(yōu)化、流場形狀的優(yōu)化、裝配方式的改變等，仿真模型也需要與時俱進，將這些因素考慮進去。

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