燃料電池運行控制參數影響規律仿真分析

陳秋霖，紀少波，陳忠言，李朝凱，趙同軍，王豪，程勇

(1.山東大學 能源與動力工程學院，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境，尋找更加高效清潔的能源作為車載動力成為當前的研究熱點。質子交換膜燃料電池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)以氫氣和氧氣為燃料，生成產物是水，能量轉換過程具有清潔無污染等優點，因此，PEMFC的研究和開發得到廣泛的關注[1-3]。PEMFC工作過程中的主要控制參數包括電堆溫度、膜濕度、陰陽極壓力及陰陽極壓差等，上述控制參數的優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，在對模型進行驗證的基礎上，分別改變PEMFC的控制參數，通過電池輸出電壓和輸出功率隨電流密度的變化趨勢，揭示各控制參數對PEMFC性能的影響規律。研究結果對于PEMFC控制策略的制定及優化具有一定的指導意義。

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研發的基于MATLAB/Simulink環境下的仿真分析工具包，可基于工程熱物理基本原理建模，具備熱力學狀態計算功能，是熱力學及燃料電池仿真的專業工具包，可提供燃料電池模型仿真所需要的熱力學、流體力學及電化學反應等模型庫，以及泵、閥、壓縮機、增濕器、冷卻系統及罐等外圍模型。利用Thermolib可以低成本、快速搭建燃料電池系統，進行軟件在環仿真(software in the loop，SIL)及硬件在環仿真(hardware in the loop，HIL)開發，實現控制策略的仿真分析及優化。

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反應過程中歐姆損失、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如表1所示。

表1 Mark V PEMFC的主要參數

基于Mark V燃料電池搭建PEMFC仿真模型，模型包括電堆模塊、陰極供氣系統模塊、陽極供氫系統模塊、冷卻循環系統模塊及控制系統模塊等部分。陰極供氣系統包括空氣濾清器、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；冷卻循環系統包括三通閥、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[4]測試Mark V燃料電池電堆開路狀態及正常工作時輸出電壓及溫度的變化曲線。按文獻[4]的試驗條件設置仿真模型的運行參數并進行計算分析，對比計算結果與試驗結果的差異。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 試驗數據對比驗證

2 不同運行控制參數影響規律研究

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??；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，加快反應氣體的離子化速度，提高化學反應速率；高溫有利于排出陰極反應生成的水，有助于消除電極淹沒問題；在膜水含量充足的情況下，質子交換膜內水擴散系數增加，使得膜內水分布均勻，質子膜的電導率增加、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部的濕度，甚至造成膜脫水，導致質子交換膜的濕度不足，使交換膜的傳導率降低，從而影響電池的性能。PEMFC運行過程中需要控制冷卻系統，優化電堆溫度，使PEMFC的性能達到最佳。

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，結果如圖4所示。

由圖4可見，電流密度相同時，質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%時達到最高值，這是由于質子交換膜內水含量增加，相對濕度提高，可以加快質子交換膜內的質子傳遞速度，提高化學反應速率，減小質子交換膜的電阻，增大交換膜的電導率，進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%，氫氣和氧氣側壓力不同時，研究電堆輸出功率隨電流密度的變化趨勢，結果如圖5所示。由圖5可見，當氧氣側壓力固定，電堆的輸出功率隨氫氣壓力的增大而增加；當氫氣側壓力固定時，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行吸附和解離，壓力增大有利于增加反應氣的濃度，加快反應氣體的擴散速度，進而促進反應氣體在催化層的吸附，提升化學反應速率，從而改善電堆性能。當氧氣側壓力固定，增大氫氣側壓力時，由于反應速率的提升，使得PEMFC的性能得到改善。當氫氣側壓力固定，適當增大氧氣側壓力時，反應速率的提升亦能改善PEMFC的性能，但隨著壓力的繼續增加，陰極出現積水現象，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，可以增加氫氣側壓力，且使陽極壓力高于陰極壓力。因此，提高進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、壓縮系統的消耗和成本等因素[10-11]，需進行合理控制。

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，提高化學反應速率，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，導致燃料電池出現故障。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對電堆性能的影響規律，主要結論如下：

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，進而增大PEMFC輸出電壓和輸出功率，改善PEMFC的性能。

2)質子交換膜濕度增加能夠加快質子交換膜內的質子傳遞速度，增大交換膜的電導率，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氣體的擴散速度，提升化學反應速率；陰極壓力過大導致陰極出現積水現象，對電堆性能有不利影響。

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