聚合物電解膜燃料電池堆的開發

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，以便在設計要求、軟件可能性及試驗數據之間進行深入的研究和優化。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，重型商用車實現低碳運行是研究人員目前面臨的1項艱巨挑戰工作。因為商用車必須在持續的高功率狀態下行駛，如果使其僅通過蓄電池驅動，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生諸多弊端。基于該原因，AVL公司旗下的研究人員開發了1種聚合物電解膜燃料電池堆（圖1）。研究人員通過高品質的模擬過程以改善其技術參數，并對燃料電池的性能和品質作出最佳預測。

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過程中的決定性因素，但在燃料電池系統中，冷卻系統產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計參數（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的開發經驗，研究人員選擇了研發初期階段的運行條件，以便通過現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。同時，研究人員通過專門開發的濕膜模型研究了電池堆結構，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構進行設計時，實現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誤差等方面提出了相關要求。同時，這些要求又是得出最終流場幾何學的基礎。隨后，研究人員需要經歷多次優化CCM、GDL及流場的過程，方可得出最終的結構組成。

2 滿足要求的極板設計分析

在選定用于膜電極單元（MEA）和雙電極板的材料后，研究人員應重點關注流動分布狀況。功率模擬可用于確定電池片內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，以便優化設計，并使系統維持均勻流動的分布狀態。

研究人員借助于雙電極板的計算機輔助設計（CAD）模型確定了模擬方案。為了達到較高的精度，應開發相應的模擬方法，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的簡化，從而在對模擬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部的流動過程進行了模擬，從而滿足系統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阻抗的位置，該位置對于電池片實現穩定功率輸出有著重要影響。如不對其進行優化，還會影響到電池片和電池堆的其他關鍵性能，包括電池功率密度、偏離設計運行條件的誤差，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，可在構件誤差允許的情況下，預測到即將出現的偏差，從而避免流體出現不均勻分布現象并實現所需的目標值。圖2示出了這種結果的實例。流體從流量較少的進口通道流入1個廣闊的分布區域，再從此處流入流量較高的有效流道中。整個流動區域被施加了一定壓力，并承受著由3種不同工作介質所產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域內的流動阻力。此外，在極板上還分布有數個部件，從而可使系統在整個設計范圍內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示出了流體介質分布范圍內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產生損害的運行條件，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過程中，但已被用于某些運行工況點條件下的設計與分析過程中。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。這些試驗結果與分散在空間的負荷信息和行駛循環相結合，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，由此會產生不同的邊界條件。該現象會反過來影響到試驗結果。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，樣品會使用經銑削加工的雙極板。該舉措有助于快速地實現全新的設計方案，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，同時也提高了構件的允差。因為與沖壓成形這一方案相比，為數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生錯誤的試驗結果。

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

在電流強度較小的情況下，電池片呈現出比模擬狀態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，模型與試驗數據之間存在較高的一致性。為了優化模型的輸入參數，并提高電流強度和邊界條件范圍內的模型可靠性，研究人員進行了專門試驗，并提供了相關試驗報告。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計參數的可能性：（1）維持最初的設計點目標效率，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件加工尺寸的誤差是否會受到影響。測量結果清楚地表明，研究人員在模擬過程中仍需要考慮其他相關因素。在近期研究的基礎上，研究人員已開發出了最新的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據。正如內燃機的發展歷程一樣，燃料電池技術的開發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過程處于平行且交互的狀態，從而使得設計要求、軟件可能性與試驗數據之間能進行協同調整。精確的模擬過程是影響成功的關鍵因素，因此AVL公司旗下的研究人員選擇了這種涵蓋了軟件開發、模擬、設計、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，以說明其現有設計方案的穩定性。同時，該類試驗還要與相關模擬過程相結合，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。此類結果將在后續的研究過程中得以展示，以便彰顯其在行駛循環模擬環境中的性能優勢，同時也需要展示出電池堆和系統零部件的瞬態特性，以便能推導出使用壽命的長短，以及用于各種場合和設計優化過程的參數指標。