大功率燃料電池建模與電壓一致性研究

摘要：在可再生能源技術不斷應用中，大功率燃料電池由于具有高能量密度和環境友好性受到廣泛關注。但在實際應用中，燃料電池存在電壓一致性問題，嚴重制約大規模推廣應用進程。在此背景下，詳細探討大功率燃料電池的具體建模方法，并分析在此期間影響電壓一致性的主要因素，以期為燃料電池的性能優化，作出更加高效的理論依據和技術幫助。

關鍵詞：大功率；燃料電池；建模；電壓

中圖分類號：U473 收稿日期：2024-08-19

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.10.014

1 前言

燃料電池能夠將化學能直接轉換為電能，具有高效、清潔的特點。在當前諸多類型的燃料電池中，大功率燃料電池因其出色的功率輸出特性，在交通運輸、固定電源和便攜式設備等領域凸顯出極高的應用優勢。而電壓一致性是評價燃料電池堆性能的重要指標，其直接影響到電池系統的可靠性和壽命。因此，需要對大功率燃料電池加以科學建模，深入研究電壓一致性問題，以此提升系統的整體性能。

2 大功率燃料電池建模的重要性

對于大功率燃料電池，建模是理解和預測燃料電池行為的主要方式。通過建立精確的數學模型，模擬燃料電池在不同工作條件下的性能表現，可更深入地理解其工作原理和性能特點。在建模期間，需要考慮多個關鍵因素：

a.燃料電池的工作基于電化學反應，需要掌握反應速率、反應機制以及反應物和產物的濃度變化等內容。

b.在燃料電池中，反應物和產物需要通過電池內部的通道進行傳遞，傳質過程的效率直接影響到燃料電池的性能。建模時應對物質的傳遞速率、傳遞路徑以及傳遞過程中可能出現的阻力等因素加以充分考慮。此外，燃料電池在工作過程中會產生大量的熱量，若不能及時有效地進行散熱處理，會造成電池溫度升高，甚至引發安全問題。在建模過程中需要結合電池的熱傳導、熱對流和熱輻射等熱管理機制，促使燃料電池在安全的溫度范圍內運行。

c.燃料電池主要由多個單體電池組成，單體電池之間需要通過電連接進行串聯或并聯，實現所需的電壓和電流輸出。

在實際應用中，大功率燃料電池建模在多個領域實現高效應用，如電動汽車、可再生能源儲存和分布式能源系統等。在對燃料電池加以建模處理，為燃料電池的設計和優化提供科學依據，并為燃料電池的維護和管理提供指導[1]。

3 具體的建模方法

3.1 電化學模型

在建模大功率燃料電池時，電化學模型主要基于Butler-Volmer方程對電極反應的動力學過程加以描述。該方程可以表示為：

[i=i0×expαnFη/RT?exp?1?αnFη/RT]

式中，i為電流密度；i0為交換電流密度；α為傳遞系數；n為電子數；F為法拉第常數；η為過電位；R為氣體常數，T為溫度。

在建模大功率燃料電池時，使用Butler-Volmer方程通過描述電極反應的動力學過程實現目標，主要有以下幾個方面：a.確定模型參數（包括交換電流密度i0、傳遞系數α、電子數n等）。這些參數可以通過實驗測量或文獻資料獲得。b.建立電極反應動力學方程。根據Butler-Volmer方程的形式建立方程，描述電流密度i與過電位η之間的關系。c.求解動力學方程。通過數值方法或解析方法，求解電極反應的動力學方程，得到電流密度i隨過電位η的變化曲線。d.分析結果。對求解得到的電流密度-過電位曲線進行分析，了解電極反應的動力學特性。例如，實際應用過程中，除了考查電極反應的活化能、反應速率常數等重要參數，還要考慮其他因素對電極反應動力學的影響，如溫度、壓力、電解質濃度等。

3.2 流體動力學模型

流體動力學模型的功能是模擬氣體和液體在電池內部的流動及傳輸過程。其中，氣體作為燃料電池的主要反應物質，其流動特性直接影響到電池的性能。在建模過程中，詳細分析氣體從進入電池到參與電化學反應的整個過程，包括氣體在電池內部的擴散、對流以及與電極表面的反應等環節。通過模擬更深入地理解氣體在燃料電池中的流動行為，為優化電池設計提供理論依據。液體在燃料電池中主要進行冷卻和電解質作用。建模時應考慮到液體在電池內部的流動路徑、流速以及與電池其他部件的相互作用等因素。特別是在高功率輸出的情況下，液體的流動和傳輸直接關系到電池的穩定性和效率。

在建模過程中，考慮氣體和液體之間的相互作用。在燃料電池內部，氣體和液體往往會同時存在并相互影響。例如，氣體的流動可能會改變液體的分布和流動狀態，而液體的存在也可能會影響氣體的擴散和反應過程。在此期間，還需要考慮燃料電池內部的結構和材料特性對流體動力學模型的影響。不同的電池結構和材料選擇會導致氣體和液體在電池內部的流動特性產生顯著差異。建模需要根據具體的燃料電池設計和材料特性進行參數調整和優化，使模型的準確性和實用性。在此基礎上，利用流體動力學模型進行各種仿真和優化實驗。對模型中的參數設置作出改變，模擬不同工況下燃料電池的工作情況，評估其性能和穩定性，并利用模型進行優化設計，尋找提高電池性能的最佳方案，為燃料電池的研發和應用提供有力的支持。

3.3 熱模型

在燃料電池的工作過程中，熱量主要來自兩個部分：一是電化學反應產生的熱量，二是電流通過電池內部電阻產生的熱量。其中，熱量的傳遞主要有三種方式：導熱、對流和輻射。

在燃料電池中，導熱是最主要的熱量傳遞方式。電池內部的材料和結構決定熱量的傳遞效率和路徑，應對電池內部的材料和結構進行詳細的分析和建模，以便準確地計算出熱量的傳遞情況。而熱管理策略主要為了保證電池在安全和高效的狀態下工作，因此既要防止電池過熱，也要提高電池的熱效率。為了防止電池過熱，應設計有效的散熱系統，如散熱器、風扇等，以及合理的工作參數，如電流密度、工作溫度等。為了提高電池的熱效率，需要進一步優化電池內部的結構和材料，以及工作參數，使得熱量能夠更有效地轉化為電能。

以此為基礎，將以上所有的分析和策略整合到一個熱模型中。此模型應該能夠準確地描述電池內部的熱量產生、傳遞和控制機制，以及與電池性能和壽命的關系。通過模型預測電池在不同工作條件下的溫度分布和熱管理效果，為電池的設計和優化提供依據[2]。

3.4 電學模型

電學模型應能夠反映燃料電池內部的物理過程，包括電子傳輸、質子傳遞、催化劑反應等。在建立電學模型時，應考慮以下幾個方面：

a.燃料電池的結構特點。燃料電池由多個單元組成，每個單元包括陽極、陰極和電解質膜。這些組成部分的材料、尺寸和形狀都會影響電流分布和電阻損失。

b.電流分布。燃料電池內部的電流分布受到多種因素的影響，如催化劑的活性、電解質膜的導電性、電極間的接觸電阻等。為了準確描述電流分布，需要建立相應的數學模型，如有限元法、邊界元法等，以此計算出燃料電池內部各點的電流密度，進而得到整個系統的電流分布情況。

c.電阻損失。燃料電池內部的電阻損失主要包括歐姆電阻、活化電阻和濃度電阻。歐姆電阻是由于電解質膜和電極材料的導電性能不佳形成；活化電阻是由于催化劑反應速率較慢導致；濃度電阻是由于反應物和產物在電極表面的濃度梯度引起。為了準確描述電阻損失，建立相應的數學模型，如Butler-Volmer方程、Fick定律等，詳細計算出燃料電池內部各點的電阻損失，以此得到整個系統的電阻損失情況。

4 電壓一致性影響因素

電壓一致性的影響因素包括以下幾點：a.材料屬性。如果電極或電解質材料存在不均勻性，便會造成電池內部的電壓分布不均勻。b.制造工藝。制造過程中存在誤差或不精確的操作，會導致電池組件之間的電壓差異較大。c.操作條件的控制。如果操作條件不穩定或不適宜，就會導致電池組內部的化學反應發生變化。d.電流密度分布。當電流密度分布不均勻時，某些區域的電流密度較高，會導致該區域的溫度升高[3]。

5 電壓一致性優化策略

5.1 材料優化

在選擇電極材料時，必須確保其具有高度的均勻性。在生產過程中，對原材料進行嚴格的篩選和控制，使所選材料在微觀結構上的一致性。同時采用先進的制備技術，如納米技術或表面處理技術，進一步提升電極材料的均勻性和性能。電解質作為電池中離子傳輸的媒介，在制備過程中，需要采用更加精細和穩定的工藝，促使電解質的均一性和純度。這里涉及改進原料的選擇、優化制備過程中的溫度和壓力控制，以及引入新的添加劑或催化劑來改善電解質的性能。

通過上述兩個方面的材料優化，大幅度提升電池的電壓一致性。這不僅能夠有效增強電池的能量密度和功率密度，還能夠延長電池的使用壽命，降低維護成本。同時，優化后的電池在充放電過程中的穩定性也會更好，減少安全事故的發生概率。

5.2 制造工藝改進

對組裝過程進行細致的規劃和設計，包括對組件的布局、連接方式以及裝配順序進行優化。通過合理的設計，減少電壓損失和干擾，從而提高電壓的一致性。并使用高質量的連接器和電纜，促使電流傳輸的穩定性和可靠性。除了改進制造工藝外，還可以提高組裝精度。此過程對每個組件進行精確的定位和固定，保證其連接緊密且穩定。該工作可使用高精度的測量工具和定位設備來實現。此外，還應該加強質量控制標準，包括制定嚴格的檢驗程序和測試方法，保障每個產品都符合電壓一致性的要求。

5.3 操作條件控制

操作條件的控制主要有以下幾點：

a.溫度控制。燃料電池的工作溫度直接影響到其內部化學反應的速率和效率。通過使用溫度傳感器和控制器實現精準控制，實時監測和調整燃料電池的溫度。

b.濕度控制。燃料電池中的水分子在電極反應中起著重要的作用，保持適當的濕度水平直接關系到燃料電池的穩定性和性能。這主要是使用濕度傳感器和控制器來實現對燃料電池濕度的精確控制的。

c.除了溫度和濕度控制，氣體流量的控制可以確保燃料電池內部的氣體供應均勻，從而提高燃料電池的反應效率和穩定性。實際工作中，可通過氣體流量傳感器和控制器來實現對氣體流量的精確控制。

d.定期維護和檢測。對燃料電池系統的電氣連接、密封性能和冷卻系統等關鍵部件做出定期維護，可以及時發現并修復潛在的問題，保證燃料電池系統的穩定運行，提升電壓一致性。

5.4 設計優化

設計優化應精心設計流場結構和電流收集器布局，優化燃料電池的整體性能。其中，流場設計直接影響到氣體的流動和分配。合理的流場設計能夠確保反應氣體在燃料電池內部的均勻分布，避免局部濃度過高或過低導致的性能損失。在設計過程中，應充分考慮流道的形狀、尺寸以及排列方式，以實現最佳的氣體流動效果。流場設計還應考慮到溫度管理和水管理的需求，保證燃料電池在各種工況下都能保持良好的性能。電流收集器的主要作用是收集并傳導燃料電池產生的電流，其布局方式直接關系到電流密度的分布情況。在設計電流收集器時，需要考慮到其材料選擇、形狀設計以及與燃料電池其他部件的配合關系，以實現最佳的電流收集效果[4]。

6 結語

在可持續發展戰略下，可再生能源技術受到社會廣泛關注，其中大功率燃料電池被應用于各行各業，本文研究對大功率燃料電池的建模，開展電壓一致性探討，可有效推動燃料電池技術的發展和應用。

研究過程中，首先分析了大功率燃料電池建模的重要性，有助于規避燃料電池使用安全問題，提高傳質效率；其次建立電化學模型、流體動力學模型、熱模型、電學模型，了解燃料電池中各點的電阻損失，精準預測不同運行環境下電池溫度分布情況；最后，結合材料屬性、制造工藝、運行條件、電流密度的影響，提出材料優化、改進制造工藝、管控操作條件、完善設計流程的電壓一致性優化措施。

研究結果顯示，通過精確的建模分析和針對性的性能優化措施，有助于燃料電池堆的電壓一致性獲得大幅度增強，進而延長系統壽命并降低維護成本。為實現燃料電池技術的全面優化和商業化應用，未來還應探索多物理場耦合效應和長期穩定性問題，以便進一步推動此項電池技術的應用與發展。

參考文獻：

[1]關權，涂正凱.鋰電池與燃料電池混合觀光車動力系統的優化設計[J].汽車安全與節能學報，2024，15（2）：199-207.

[2]白晶，王文.一種大功率氫燃料電池混合動力機車動力系統匹配性研究[J].鐵道機車與動車，2024（4）：38-40+48+62.

[3]包敏杰，俞小莉，黃瑞，等.大功率燃料電池建模與電壓一致性分析[J].儲能科學與技術，2024，13（3）：952-962.

[4]郭婉露，康明明，陳雄偉，等.大功率氫燃料電池混合動力機車電氣系統設計[J].電力機車與城軌車輛，2023，46（6）：7-12.

作者簡介：

夏泮文，男，1984年生，研究方向為在新能源領域中氫燃料電池和備用電源的開發。