質子交換膜燃料電池系統(tǒng)仿真研究

張椿　喬運乾　孫立鵬　張帥　翟靈瑞

【摘? 要】本文搭建PEMFC系統(tǒng)仿真模型，將空壓機、電堆等部件按照物理特性進行抽象化，通過自定義工況進行拉載仿真。研究發(fā)現(xiàn)，該模型能夠較好地反映出PEMFC系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，具有較高的準確性，對PEMFC系統(tǒng)控制策略研究以及掌握其中機理有積極推動的作用，有助于改善PEMFC的設計。

【關鍵詞】質子交換膜燃料電池；搭建模型；系統(tǒng)仿真

中圖分類號：U469.72? ? 文獻標志碼：A? ? 文章編號：1003-8639（ 2023 ）09-0026-03

Simulation of Proton Exchange Membrane Fuel Cell System

ZHANG Chun，QIAO Yunqian，SUN Lipeng，ZHANG Shuai，ZHAI Lingrui

（Weichai Power Co.，LTD.，Weifang 261000，China）

【Abstract】In this paper，the PEMFC system simulation model was built，and the components such as air compressor and stack were built according to their physical characteristics，and the load pulling simulation was carried out through the custom working conditions. The research found that the model could well reflect the dynamic response characteristics of PEMFC system. It is helpful to the design and development of PEMFC by promoting the research of control strategy of PEMFC system and grasping its mechanism.

【Key words】PEM fuel cell；system model；system simulation

作者簡介

張椿，碩士，副高級工程師，研究方向為新能源汽車。

質子交換膜燃料電池（PEMFC）主要是由膜電極、密封圈和帶有導氣通道的雙極板組成。其中，膜電極中間為質子交換膜，除了有質子交換功能外，還可以起到隔離氣體的作用；膜兩側為電極，由導電支撐體、氣體擴散層和催化層組成，如圖1所示。燃料電池工作時，陽極流道中的氫氣通過擴散層到達催化層，在催化劑作用下分解成質子和電子，分別經(jīng)由質子交換膜和外電路到達陰極，而陰極流道中的氧氣則以相同的方式到達陰極催化劑表面，與陽極傳遞來的質子和電子反應生成水。同時，水也會在電遷移和濃度擴散的作用下通過質子交換膜傳遞[1]。

目前國內(nèi)外研究學者對質子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模和控制展開了大量的研究，通過搭建動態(tài)或穩(wěn)態(tài)模型，可以對比不同溫度、壓力、濕度等條件下系統(tǒng)的性能，有助于確定或改善電堆操作條件[2-4]。

1? 燃料電池系統(tǒng)模型搭建

本文基于空壓機、電堆等部件的物理特性搭建PEMFC系統(tǒng)仿真模型，模型主要包括氫氣路、空氣路、水管理3部分。其中，氫氣路主要是控制氫氣的流量、壓力；空氣路主要是通過空壓機的流量以及壓力進行控制[5]；水管理主要是電堆產(chǎn)生的水以及加濕器進行控制，維持電堆中的水平衡，保持電堆的良好性能。系統(tǒng)模型的求解過程主要是通過模型將空壓機、電堆等按照物理特性進行抽象化，建立起相關的機理模型，其中主要涉及的是質量守恒、能量守恒、熱量守恒等定律。

2? 燃料電池電堆仿真模型搭建

燃料電池電堆主要包括陽極、陰極、膜中水的傳遞、電堆電壓等模型。陰、陽極模型主要通過質量流量、溫度、壓力、濕度等因素計算氣體質量流量、氣體偏壓等；膜中水含量主要依靠陰、陽極產(chǎn)生的水的活度，通過電滲傳遞、擴散傳遞等計算出膜中水含量；電堆電壓模塊計算開路電壓以及各種電池損失，最終輸出電堆功率、電流密度等，建立電堆仿真模型如圖2所示。

2.1? 膜中水含量及電導率的計算

質子交換膜中水的傳遞受到電滲傳遞Jd和擴散傳遞Jc的影響，電滲拖拽是穿過質子交換膜孔隙的質子會拖拽一個或多個水分子的一種現(xiàn)象，其中質子移動影響水移動的程度利用電滲拖拽系數(shù)來衡量，它定義為伴隨每個質子而移動的水分子的數(shù)目；水的反向擴散是電滲拖拽使得水從陽極移動到陰極，然而當水在陰極集聚時就會發(fā)生反向擴散，導致水從陰極傳輸?shù)疥枠O的一種現(xiàn)象，這種反向擴散現(xiàn)象的發(fā)生通常是由于陰極的水濃度遠高于陽極水濃度（陰極電化學反應使水劇增），反向擴散抵消了電滲拖拽的效果，在陰極陽極水濃度梯度驅動下，形成水的反向擴散流通量。因此，膜的凈水通量J_w表達式如下：

2.2? 電堆電壓的計算

3? 仿真結果分析

燃料電池系統(tǒng)的外界輸入主要依靠需求電流進行，因此，自定義工況如圖3所示，運行自定義工況，相關參數(shù)結果如圖4～圖6所示。

綜上所述，分析結果如下所示。

1）電流密度大時，膜中水含量的傳遞主要是因為電遷移引起的，從陽極遷移到陰極，水含量會增大，在電流階躍增大時，陰極水含量的增加量也增大。

2）陽極的水含量因電遷移下降，隨著電池的運行，陰極水含量反擴散到陽極，陽極水含量上升。

3）陰極不增濕，膜內(nèi)的水從陽極因為電遷移帶到陰極的水量是有限的，同時陰極的水還要反擴散到陽極，電化學反應產(chǎn)生的水分減少，因此電極陰極的增濕十分重要，保持良好的增濕，可以提高電池的性能。

4? 結論

本文通過將空壓機、電堆等部件按照物理特性進行抽象化，建立燃料電池系統(tǒng)仿真模型，通過自定義工況進行拉載仿真，研究發(fā)現(xiàn)該模型能夠較好地反映出燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)響應特性，對燃料電池系統(tǒng)控制策略研究以及掌握其中的機理有積極推動作用。

參考文獻：

[1] Jay T. Pukrushpan，Anna G. Stefanopoulou，Huei Peng. Control of fuel cell power systems：principles，modeling，analysis，and feedback design[M]. Germany：Springer，2004.

[2] 蘭洪星. 氫燃料電池系統(tǒng)建模與控制策略研究[D]. 長春：吉林大學，2020.

[3] 吳波，劉長振，袁永先，等. 低壓PEMFC系統(tǒng)設計與仿真驗證[J]. 電源技術，2020，44（8）：1119-1122.

[4] ASENSIO F J，MARTIN J S，ZAMORA I，et al. Analysis of electrochemical and thermal models and modeling techniques for polymer electrolyte membrance fuel cells[J]. Renewable and Sustainable Energy Reviews，2019（10）：109283.1-109283.22.

[5] 許思傳，安凱，周定賢，等. 質子交換膜燃料電池發(fā)動機空氣系統(tǒng)仿真與試驗研究[J]. 車用發(fā)動機，2011（1）：38-41.

（編輯? 凌? 波）