DOI：10.19912/j.0254-0096.tynxb.2021-1095 文章編號：0254-0096（2023）02-0260-09

摘 要：建立基于尾氫再循環(huán)的車用PEMFC氫氣系統(tǒng)的集總參數(shù)模型和質(zhì)子交換膜燃料電池堆的二維CFD模型，瞬態(tài)模擬研究額定功率工況下尾氫排放對系統(tǒng)及電堆工作特性的影響。結(jié)果表明：排放過程中，陽極進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量等參數(shù)出現(xiàn)顯著的波動現(xiàn)象，且波動幅度和波動時間與排放持續(xù)時間存在直接關(guān)系；電堆性能在排放過程中有所下降，排放結(jié)束后能迅速恢復(fù)到排放前的水平；陽極內(nèi)部的水氣分布在排放過程中得到明顯改善。

關(guān)鍵詞：質(zhì)子交換膜燃料電池；數(shù)值模擬；排放；氫氣系統(tǒng)；排放特性

中圖分類號：TK91 " " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引 言

車用質(zhì)子交換膜燃料電池（proton exchange membrane fuel cell，PEMFC）動力系統(tǒng)中的氫氣供應(yīng)子系統(tǒng)通常采用尾氫再循環(huán)的運(yùn)行模式。該模式中陽極尾氫被再循環(huán)至入口重新利用，不僅能顯著提高氫氣利用率，還能有效避免未反應(yīng)氫氣直接排放引起的環(huán)境安全問題［1］。PEMFC在尾氫再循環(huán)模式下運(yùn)行時，氮滲透［2］現(xiàn)象會導(dǎo)致陽極的氫氣濃度降低，水?dāng)U散［3］現(xiàn)象可能會造成陽極出現(xiàn)局部“水淹”。因此基于尾氫再循環(huán)的PEMFC氫氣系統(tǒng)需進(jìn)行必要的排放來排出陽極積聚的氮?dú)夂退?，避免陽極出現(xiàn)缺氣現(xiàn)象。然而，排放操作會導(dǎo)致氫氣系統(tǒng)偏離原有的工作狀態(tài)，不利于PEMFC系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，因此有必要對排放過程中系統(tǒng)及電堆的變化特性進(jìn)行深入研究。

目前，利用數(shù)學(xué)模型來研究氫氣系統(tǒng)工作特性是常見的研究手段。Pukrushpan等［4］提出燃料電池系統(tǒng)的集總參數(shù)模型；洪玲等［5］在此基礎(chǔ)上開發(fā)了具有尾氫再循環(huán)和陽極持續(xù)排氣功能的氫氣供給子系統(tǒng)的動態(tài)模型；Shen等［6］在Matlab/Simulink平臺上建立了基于機(jī)械氫氣循環(huán)泵的氫氣供給子系統(tǒng)，并在排氣總管增加了尾排閥來實(shí)現(xiàn)陽極吹掃排放；張國實(shí)等［7］建立的PEMFC系統(tǒng)考慮氮滲透和水?dāng)U散現(xiàn)象，并利用該模型對不同工況下的排放策略進(jìn)行了優(yōu)化。

上述研究所采用的方法主要是基于集總參數(shù)方法，該方法能反映系統(tǒng)運(yùn)行過程中各子部件的狀態(tài)變化及不同部件之間復(fù)雜的相互作用，但無法具體描述部件內(nèi)部的動態(tài)特性。利用計(jì)算流體動力學(xué)（computational flurd dynamics，CFD）方法則能更直觀地了解電池內(nèi)部的流動特性、組分分布等物質(zhì)傳輸機(jī)制。李民等［8］通過大渦模擬研究了電堆內(nèi)部的流動特性及工作條件對流體分配的影響。楊子榮等［9］將多相流電堆模型和流動分布子模型相結(jié)合，開發(fā)了一個綜合的燃料電池堆模型，可同時描述每個電池內(nèi)部的流體分布及反應(yīng)、相變和運(yùn)輸過程。劉郭存［10］利用COMSOL軟件求解獲得了U型結(jié)構(gòu)和Z型結(jié)構(gòu)燃料電池堆氣體、水、電流密度等分布情況。Sangtabi等［11］在OpenFOAM軟件中建立了燃料電池堆的二維數(shù)值模型，研究了水蒸氣凝結(jié)對PEMFC堆內(nèi)部流體分布的影響。

氫氣系統(tǒng)的排放是一個復(fù)雜的瞬態(tài)過程，利用零維的系統(tǒng)模型難以對其展開全面的研究，而CFD方法能起到很好的補(bǔ)充作用。因此本文同時建立車用PEMFC氫氣系統(tǒng)集總參數(shù)模型和燃料電池堆二維CFD模型，并以系統(tǒng)模型的模擬結(jié)果為參考，設(shè)置電堆模型的計(jì)算條件，以此來綜合研究額定工況下系統(tǒng)及電堆的排放特性，以期為排放策略的制定和優(yōu)化提供參考。

1 車用PEMFC氫氣系統(tǒng)模型

1.1 模型結(jié)構(gòu)及模型假設(shè)

本研究建立的氫氣系統(tǒng)模型主要依據(jù)為額定功率60 kW的車用PEMFC動力系統(tǒng)，額定功率時電堆的輸出電流為300 A，其中氫氣系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖1所示。由比例閥和引射器組成的供氫-回氫組件能實(shí)現(xiàn)氫氣的供應(yīng)和再循環(huán)，比例閥供應(yīng)的新鮮氫氣與引射器引射的尾氫在混合管混合后進(jìn)入電堆陽極；氣水分離器用于分離陽極尾氣中的水分，調(diào)節(jié)氫氣系統(tǒng)內(nèi)的氣體濕度；尾排閥用于進(jìn)行系統(tǒng)排放。為了簡化模型，做以下假設(shè)：

1）假設(shè)氫氣系統(tǒng)的溫度恒定；

2）氣水分離器處于理想工作狀態(tài)，陽極流道內(nèi)部濕度恒定；

3）忽略水蒸氣的蒸發(fā)和凝結(jié)，假設(shè)整個氫氣系統(tǒng)中只存在氣相，且所有氣體均當(dāng)成理想氣體；

4）假設(shè)進(jìn)排氣總管及陽極流道內(nèi)部的氣體分布均勻。

1.2 進(jìn)、排氣總管和電堆陽極模型

進(jìn)氣總管、電堆陽極和排氣總管采用集總參數(shù)法進(jìn)行建模，各部件被集成整體，其內(nèi)部氣體壓力由氣體量決定，部件之間的氣體流通量由部件之間的壓差決定。

1.2.1 進(jìn)氣總管模型

進(jìn)氣總管的氣體來源為比例閥控制的一次流和引射器引射的二次流，排出的氣體流量由進(jìn)氣總管和電堆陽極的壓差決定。控制方程為：

式中：[pim]——進(jìn)氣總管壓力，Pa；[R]——?dú)錃獾臍怏w常數(shù)；[T]——溫度，K；[Vim]——進(jìn)氣總管容積，m3；[Wpv，first]和[Wej，second]——一次流流量和二次流流量，g/s；[Wim，out]和[Wan，in]——進(jìn)氣總管排出的氣體流量和進(jìn)入電堆陽極的氣體流量，g/s；[kim，an]——進(jìn)氣總管與電堆陽極的等效流阻系數(shù)；[λej]——引射器的引射比。

1.2.2 電堆陽極模型

進(jìn)入電堆陽極的氣體流量和排出進(jìn)氣總管的氣體流量大小一致，排出電堆陽極的氣體量由陽極與排氣總管之間的壓力差決定，此外電化學(xué)反應(yīng)會消耗陽極的氫氣，消耗量由法拉第定律計(jì)算得出。電堆陽極模型的控制方程為：

式中：[pan]、[p0an，H2]、[pan.vapor]和[psat]——電堆陽極總壓、氫氣初始分壓、水蒸氣分壓和水蒸氣飽和蒸氣壓，Pa；[Van]——電堆陽極容積，m3；[Wan，out]、[Wreaction]和[Wom，in]——電堆陽極出口流量、反應(yīng)消耗氫氣量和排氣總管入口流量，g/s；[kan，om]——電堆陽極與排氣總管的等效流阻系數(shù)；[RHan]——陽極相對濕度；[Ncell]——電池片數(shù)量；[i]——電流密度，A/m2；[Aact]——電池有效活性面積，m2；[F]——法拉第常數(shù)；[MH2]——?dú)錃獾哪栙|(zhì)量，g/mol。

1.2.3 排氣總管模型

電堆陽極排出的尾氣進(jìn)入排氣總管，尾排閥開啟會排出氣體，此外引射器引射的二次流來自排氣總管。

式中：[pom]——排氣總管壓力，Pa；[Vom]——排氣總管容積，m3；[Wpurge]——尾排閥排出流量，g/s。

1.3 供氫-回氫組件模型

供氫-回氫組件由比例閥和引射器組成，比例閥控制進(jìn)入供氫-回氫組件的一次流流量，引射器的引射特性決定二次流流量?？紤]到燃料電池用引射器的特殊性，引射器模型是通過Simulink中的Lookup Table模塊建立，所使用的數(shù)據(jù)為實(shí)驗(yàn)標(biāo)定數(shù)據(jù)，以此提高所建模型的準(zhǔn)確性。引射比與一次流流量和進(jìn)排氣總管壓差之間的關(guān)系如圖2所示。

模型中引入比例閥開度的概念，認(rèn)為一次流流量與比例閥開度成正比例關(guān)系：

式中：[θ]——比例閥開度；[Wpv，max]——比例閥最大流量，g/s。

1.4 尾排閥模型

尾排閥模型依據(jù)噴嘴理論建立［12］，[pambient、][pom]分別為環(huán)境壓力和排氣總管壓力，當(dāng)環(huán)境壓力大于排氣總管壓力時，尾排氣體處于亞聲速流動狀態(tài)，當(dāng)環(huán)境壓力小于排氣總管壓力時，尾排氣體處于超聲速流動狀態(tài)，方程為：

式中：[Wpurge]——尾排流量，g/s；[β]——尾排閥狀態(tài)；[Cpurge]——流通系數(shù)；[Apurge]——尾排閥流通面積；[κ]——比熱容比；[γ]——?dú)怏w常數(shù)。

基于以上質(zhì)量守恒、熱力學(xué)原理在Matlab/Simulink環(huán)境下建立的氫氣系統(tǒng)模型如圖3所示，模型的主要參數(shù)設(shè)置如表1所示。

2 電堆二維CFD模型

2.1 計(jì)算域、模型假設(shè)及網(wǎng)格劃分

將燃料電堆簡化為二維模型是電堆研究的常見方法，該方法將PEMFC的流場簡化為一條直流道，忽略縱向的氣體流動，該方法能在很大程度上減少計(jì)算量，還能較準(zhǔn)確地反映電堆內(nèi)部的氣體分布情況。同時本文將電池數(shù)量由實(shí)際的300片減少到30片，流道長度縮減為5 cm，以此減少瞬態(tài)模擬的計(jì)算量。由于本文的研究主要針對燃料電池陽極的排放特性，因此所建立的模型中電堆陽極氣體通道包括陽極進(jìn)氣歧管、陽極排氣總管和陽極氣體流道，而陰極忽略進(jìn)排氣歧管。二維電堆模型的計(jì)算域如圖4所示。

模型計(jì)算域主要包括雙極板、陽極進(jìn)氣歧管、陽極排氣歧管、陽極氣體流道、氣體擴(kuò)散層、催化層、質(zhì)子交換膜和陰極氣體流道，同時假設(shè)：1）模型中的組分均為氣相，且為理想氣體；2）所有流動均為層流；3）擴(kuò)散層、催化層和PEM均質(zhì)且各項(xiàng)同性；4）整個計(jì)算域等溫；5）電池陰極的狀態(tài)恒定。

為提高模型的收斂性，所有網(wǎng)格均為四邊形網(wǎng)格，如圖5所示。網(wǎng)格數(shù)量為252180個，并對網(wǎng)格無關(guān)性進(jìn)行驗(yàn)證。

2.2 控制方程

該模型的控制方程主要包括守恒方程、電化學(xué)反應(yīng)方程和膜內(nèi)物質(zhì)傳輸方程。

2.2.1 守恒方程

1）連續(xù)性方程

式中：[ρ]——混合物密度，kg/m3；[u]——混合物速度，m/s；[Sm]——質(zhì)量源相，kg/（m3·s）。

2）動量守恒方程

式中：[ε]——多孔介質(zhì)的孔隙率；[p]——壓力，Pa；[μ]——混合物的動力黏度，Pa·s；[κ′]——多孔介質(zhì)的滲透率，m2。

3）組分守恒方程

氣體的多組分?jǐn)U散用Stefan-Maxwell方程來描述：

式中：[i， j]——?dú)怏w組分；[ωi]——組分的質(zhì)量分?jǐn)?shù)；[Dij]——物質(zhì)[i]和[j]的二元擴(kuò)散系數(shù)，m2/s；[xj]——組分的摩爾分?jǐn)?shù)；[Si]——反應(yīng)源相。

2.2.2 電化學(xué)反應(yīng)方程

1）電荷守恒方程

式中：[σsol]——固相的電子電導(dǎo)率，S/m；[?sol]——固相電位，V；[Ssol]——固相內(nèi)的體積電流源相，A/m3；[σmem]——膜相的離子電導(dǎo)率，S/m；[▽?mem]——膜相電位，V；[Smem]——膜相的體積電流源相，A/m3。

2）電化學(xué)動力學(xué)方程

利用Butler-Volmer方程描述質(zhì)子交換膜燃料電池的電化學(xué)反應(yīng)：

式中：[ia]和[ic]——陽極和陰極的電流密度，A/m2；[aa]和[ac]——陽極和陰極的活性比表面積，m-1；[i0，a]和[i0，c]——陽極和陰極的交換電流密度，A/m2；[αaa]和[αcc]——陽極反應(yīng)的氧化傳遞系數(shù)和還原傳遞系數(shù)；[αca]和[αcc]——陰極反應(yīng)的氧化傳遞系數(shù)和還原傳遞系數(shù)；[η]——過電位。

2.2.3 膜內(nèi)物質(zhì)傳輸方程

質(zhì)子交換膜的膜內(nèi)水傳輸主要有3種形式，即：濃度擴(kuò)散、電拖拽作用和水力滲透［13］。由于水力滲透作用造成的水傳輸相較于其他2種形式的水傳輸可忽略不計(jì)，因此模型只考慮濃度擴(kuò)散和電拖拽造成的膜內(nèi)水傳輸，方程為：

式中：[jwater]——膜內(nèi)水的通量，mol/（m2·s）；[nd]——電拖拽系數(shù)；[ρm]——完全干燥的質(zhì)子交換膜的密度，kg/m3；[Mm]——完全干燥的質(zhì)子交換膜的等效摩爾質(zhì)量，kg/mol；[Dλ]——膜內(nèi)水的擴(kuò)散系數(shù)，大小與膜內(nèi)水含量有關(guān)；[λ]——膜內(nèi)水含量。

質(zhì)子交換膜多孔且薄，氮?dú)饪赏高^膜從陰極側(cè)向陽極側(cè)滲透。在氫氣再循環(huán)條件下，氮滲透對電池造成的影響不可忽略。氮滲透現(xiàn)象用式（20）進(jìn)行描述［14］：

式中：[jN2]——氮?dú)獾臐B透通量，mol/（m2·s）；[DN]——氮的滲透率；[ΔpN2]——膜兩側(cè)氮?dú)夥謮旱牟钪?，Pa；[δm]——質(zhì)子交換膜的厚度，m。

電堆模型的主要參數(shù)如表2所示。

2.3 邊界條件設(shè)置

邊界條件和初始條件的設(shè)置對模擬研究結(jié)果的準(zhǔn)確性和計(jì)算的收斂性有很大影響。電堆陽極進(jìn)氣總管入口和陰極流道入口條件均設(shè)置為混合氣體流速和各氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)。陽極排氣總管出口和陰極流道出口均為壓力邊界條件。瞬態(tài)計(jì)算過程中陰極邊界條件恒定不變，陰極流道入口流速和各氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)依據(jù)進(jìn)氣化學(xué)計(jì)量比和進(jìn)氣濕度計(jì)算得出，陰極進(jìn)氣化學(xué)計(jì)量比恒定為2.5，進(jìn)氣濕度恒定為40%，陰極流道出口壓力恒定為198.6 kPa。瞬態(tài)計(jì)算過程中陽極進(jìn)氣歧管入口速度、進(jìn)氣中各氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)以及排氣歧管出口壓力均隨時間變化。入口速度變化以系統(tǒng)模型中陽極進(jìn)氣流量變化為依據(jù)；進(jìn)氣中氫氣、氮?dú)夂退哪柗謹(jǐn)?shù)變化以引射器的引射比變化為依據(jù)，引射比的大小決定進(jìn)氣中尾氫的比例，影響陽極入口各氣體組分的摩爾分?jǐn)?shù)；陽極排氣歧管出口壓力條件以系統(tǒng)模型得出的排氣壓力變化為依據(jù)。陽極端板邊界設(shè)置為電勢邊界條件，恒定為0 V；陰極端板邊界設(shè)置為電流密度條件，恒定為1064 mA/cm2。流道及其他區(qū)域的壁面設(shè)置為無滑移邊界條件。

3 氫氣系統(tǒng)排放特性

3.1 模型驗(yàn)證

為保證模型的準(zhǔn)確性，防止仿真結(jié)果失真，將模擬仿真與實(shí)驗(yàn)研究得到陽極進(jìn)氣壓力變化曲線進(jìn)行對比，結(jié)果如圖6所示。仿真和實(shí)驗(yàn)所選取的排放策略均為：排放周期15 s，排放持續(xù)時間0.5 s，排放間隔14.5 s。對比圖6可看出，仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在趨勢上和變化幅度上均保持良好的一致性，因此認(rèn)為所建立的氫氣系統(tǒng)模型具有較高的準(zhǔn)確性。

3.2 排放過程中陽極進(jìn)氣壓力和流量的變化

PEMFC陽極進(jìn)氣壓力需維持在一定范圍內(nèi)，過大或過頻繁的壓力波動不僅會造成電池性能不穩(wěn)定，還會使質(zhì)子交換膜受到反復(fù)的機(jī)械應(yīng)力，造成膜的損傷，影響電池的使用壽命［15］。圖7為不同排放持續(xù)時間下的陽極進(jìn)氣壓力變化曲線。陽極排放過程中，陽極進(jìn)氣壓力出現(xiàn)明顯波動。排放開始時，由于排氣總管中氣體的流出造成氫氣系統(tǒng)中氣體量的減少，陽極的進(jìn)氣壓力開始減小。此時進(jìn)氣壓力偏離目標(biāo)值，為維持進(jìn)氣壓力的穩(wěn)定，比例閥開度會增大，一次流流量增加。進(jìn)氣總管中氣體量增加，進(jìn)氣壓力開始上升，并超過目標(biāo)值，隨后比例閥開度減小，進(jìn)氣壓力開始下降。

在比例閥主動調(diào)節(jié)的過程中，進(jìn)氣壓力出現(xiàn)多次波動，最終恢復(fù)到目標(biāo)值。進(jìn)氣壓力的波動幅度和波動時間受到排放持續(xù)時間的影響。排放持續(xù)越長，進(jìn)氣壓力的波動幅度越大，且壓力的增幅比減幅受到排放時間的影響更大。例如，排放持續(xù)時間從0.5 s增至1.0 s，進(jìn)氣壓力增幅由4.2 kPa變?yōu)?.9 kPa，增加2.7 kPa；而壓力減幅由7.5 kPa變?yōu)?.8 kPa，增加0.3 kPa。此外，排放時間越長，進(jìn)氣壓力的波動時間越長。

圖8為不同排放持續(xù)時間下引射器引射比的變化曲線。排放過程中，一次流流量增加和進(jìn)排氣總管壓差增大導(dǎo)致引射器引射比出現(xiàn)明顯減小，由于比例閥供給的一次流為干燥氫氣，引射器引射比的減小會引起陽極進(jìn)氣濕度下降，導(dǎo)致膜的濕潤程度降低。圖9為不同排放持續(xù)時間下的陽極進(jìn)氣流量變化曲線?？煽闯?，排放過程中陽極進(jìn)氣流量出現(xiàn)先增大后減小的過程，這主要是受到一次流流量波動的

影響。此外，隨著排放持續(xù)時間的增加，引射器引射比的降幅增加，進(jìn)氣流量的增幅增加。由此可見，排放過程導(dǎo)致氫氣系統(tǒng)偏離了原有的工作狀態(tài)，陽極進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量都受到較大影響，且受影響的程度與排放持續(xù)時間存在直接關(guān)系。

3.3 不同排放策略對氫氣利用率的影響

氫氣系統(tǒng)對陽極尾氣的循環(huán)再利用是為了提高氫氣利用率，而陽極排放不僅會排出雜質(zhì)，還會排出部分氫氣，因此陽極排放會導(dǎo)致氫氣利用率減小。圖10為不同排放策略下的氫氣利用率，排放周期有15、75、150和300 s共4種，排放持續(xù)時間有0.25、0.50、0.75和1.00 s共4種，共16種排放策略。

相同的排放周期內(nèi)，氫氣利用率與排放持續(xù)時間呈較強(qiáng)的線性關(guān)系，排放時間越長，氫氣利用率越低；排放持續(xù)時間一定時，排放周期越長，氫氣利用率越高，當(dāng)排放周期大于75 s時，氫氣利用率接近或高于99%。例如，排放周期15 s，排放持續(xù)時間0.5 s時，氫氣利用率為97.43%，當(dāng)排放周期增加為75 s時，氫氣利用率提高到99.48%。因此，在制定排放策略時，為保證較高的氫氣利用率，應(yīng)適當(dāng)增加排放周期。

4 系統(tǒng)排放對電堆工作特性的影響

本部分主要分析氫氣系統(tǒng)排放過程對電堆的影響，排放周期設(shè)置為15 s，以減少瞬態(tài)模擬的計(jì)算成本。

4.1 電堆模型驗(yàn)證

對比數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究下PEMFC的極化曲線是驗(yàn)證電池CFD模型準(zhǔn)確性的重要手段。圖11為數(shù)值模擬和實(shí)驗(yàn)研究下電堆極化曲線對比，兩者具有較高的一致性，可認(rèn)為本文建立的電堆二維CFD模型具有較高的準(zhǔn)確性。

4.2 系統(tǒng)排放對電堆性能的影響

陽極排放會使電堆的工作條件發(fā)生變化，電堆性能也會發(fā)生相應(yīng)變化。圖12為不同排放持續(xù)時間下，電堆輸出電壓的變化曲線。陽極排放過程中，電堆電壓出現(xiàn)明顯下降，這是進(jìn)氣流量、壓力、濕度等因素變化綜合作用的結(jié)果［16］。此外，由于排放使電堆內(nèi)部氮?dú)鉂舛冉档?，電壓波動結(jié)束后，恢復(fù)到比排放前更高的水平。排放持續(xù)時間對電堆性能有顯著影響，排放持續(xù)時間越長，電壓波動周期越長降幅越大，這不利于燃料電池動力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。但排放持續(xù)時間越長，排放結(jié)束后電壓恢復(fù)的水平越高，因此在制定排放策略時需綜合考慮排放時的電壓波動和排放后的電壓恢復(fù)水平。

圖13為持續(xù)排放時間為0.50 s時每片電池的電壓降幅，圖中電池標(biāo)號越小代表該電池越靠近陽極進(jìn)氣歧管入口。陽極排放過程中，遠(yuǎn)離陽極入口的電池電壓降幅較小，第1片電池電壓降幅為3.37 mV，而第10片電池電壓降幅為3.30 mV。而且隨著電池遠(yuǎn)離陽極入口，這種趨勢愈加明顯，

例如：第1片電池與第2片電池的電壓降幅差為0.01 mV，而第29片電池與第30片電池的電壓降幅差為0.13 mV。因此當(dāng)電池片數(shù)量越多，不同電池的電壓波動幅度差異越大。

4.3 系統(tǒng)排放對陽極內(nèi)部組分分布的影響

陽極排放的目的是為了排出電堆陽極內(nèi)部的雜質(zhì)，改善陽極內(nèi)部的水氣分布。圖14為排放過程中不同時刻陽極內(nèi)部混合氣中氫氣的摩爾分?jǐn)?shù)云圖。14.50 s為電堆開始排放的時刻，15.00 s為尾排閥關(guān)閉的時刻，16.15 s為氫氣系統(tǒng)基本恢復(fù)穩(wěn)態(tài)的時刻。由圖14可看出，在排放開始時，電堆陽極內(nèi)部氫氣摩爾分?jǐn)?shù)最大為0.8904，最小為0.7865，由于反應(yīng)不斷消耗氫氣，每片電池沿氣體流動方向氫氣摩爾分?jǐn)?shù)不斷降低。15.00 s時陽極內(nèi)部氫氣的最大摩爾分?jǐn)?shù)為0.9235，最小為0.8014，電堆陽極的整體氫氣濃度水平得到改善。16.15 s時，陽極內(nèi)部氫氣的最大摩爾分?jǐn)?shù)為0.9118，最小為0.8246，此時靠近陽極出口區(qū)域的電池陽極內(nèi)部氫氣含量更高，且相較于14.50和15.00 s，電堆內(nèi)部的氫氣分布更均勻。

圖15為排放過程中不同時刻電堆陽極的水濃度分布圖。排放開始前，電池陽極內(nèi)沿氣體流動方向，水濃度含量不斷增加，最大值達(dá)到13.10 mol/m3，相較于入口處的6.84 mol/m3增加92%，可認(rèn)為陽極內(nèi)部存在局部“水淹”風(fēng)險。15.0 s時，隨著排放的進(jìn)行，陽極內(nèi)部的水濃度出現(xiàn)明顯下降，最大值降至10.60 mol/m3，且靠近陽極入口區(qū)域水濃度下降最明顯，水濃度的降低會導(dǎo)致該區(qū)域的膜濕潤程度降低，離子電導(dǎo)率降低，這也是靠近陽極入口區(qū)域的電池電壓降幅更大的原因；16.15 s時陽極的水分布得到極大改善，水濃度較高的區(qū)域明顯減少，陽極出現(xiàn)水淹的風(fēng)險隨著排放進(jìn)行逐步降低。值得注意的是，靠近陽極出口的電池內(nèi)部還存在局部區(qū)域的水濃度含量明顯高于其他電池的相同區(qū)域，說明該區(qū)域的排放效果不佳，考慮到本模型簡化了電池內(nèi)部的流道，較實(shí)際情況，流阻有所減小，因此實(shí)際情況下，該區(qū)域出現(xiàn)“水淹”的可能性很大［17］。

圖16為排放過程中不同時刻電堆陽極的氮?dú)鉂舛确植紙D。在排放開始前，陽極內(nèi)部的氮?dú)鉂舛确植己退疂舛瘸尸F(xiàn)相似的分布，氣體流道內(nèi)沿著氣體流動方向氮?dú)鉂舛炔粩嘣黾樱捎谂欧胖芷跒?5.00 s，氮濃度還處在較低水平，最大僅為1.35 mol/m3，這也是在排放間隔內(nèi)電堆電壓下降速率較慢的原因。15.00 s時陽極的氮?dú)鉂舛人矫黠@低于14.50 s，但隨著系統(tǒng)趨于穩(wěn)定，氮濃度分布趨勢又恢復(fù)到排放前的狀態(tài)，但整體的氮濃度水平出現(xiàn)了明顯的下降，因此在排放結(jié)束后，電堆電壓有所恢復(fù)。

5 結(jié) 論

本文建立基于尾氫再循環(huán)的車用PEMFC氫氣系統(tǒng)的集總參數(shù)模型和PEMFC堆的二維CFD模型，瞬態(tài)模擬研究了額定功率工況下氫氣系統(tǒng)及電堆的排放特性，主要結(jié)論如下：

1）排放過程中，陽極進(jìn)氣壓力和進(jìn)氣流量均出現(xiàn)明顯波動，且排放持續(xù)時間越長，波動幅度越大，波動時間越長。此外，排放周期縮短或排放持續(xù)時間增加均會導(dǎo)致系統(tǒng)的氫氣利用率降低。

2）系統(tǒng)排放造成了電堆性能的變化。排放過程中，電堆電壓有所下降，且不同電池的電壓降幅不同；排放結(jié)束后，電壓迅速恢復(fù)到排放前的水平。排放持續(xù)時間越長，排放過程中電堆電壓的降幅越大，排放結(jié)束后電壓恢復(fù)的水平越高。

3）排放改善了電堆陽極的水氣分布。排放過程中，陽極內(nèi)部混合氣中氫氣的含量不斷增加，水濃度和氮濃度出現(xiàn)明顯下降，且靠近陽極入口區(qū)域的單片電池受到的影響最大。

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MODELING AND EMISSION CHARACTERISTICS STUDY OF

PEMFC HYDROGEN SYSTEM FOR VEHICLES

Liu Yang，Chen Ben

（School of Automotive Engineering， Wuhan University of Technology， Wuhan 430070， China）

Abstract：In this paper， a lumped parameter model of proton exchange membrane fuel cell （PEMFC） hydrogen system for vehicles based on exhaust hydrogen recirculation and a two-dimensional CFD model of PEMFC stack were developed. Through transient simulation， the effect of hydrogen emissions on the operating characteristics of the hydrogen system and the PEMFC stack were studied under rated power conditions. The results show that the anode inlet pressure and flow rate fluctuate significantly during the emission process. The fluctuation amplitude and fluctuation time are directly related to the emission duration. The performance of the stack decreases during hydrogen emission， but it can quickly recover after the emission. The distribution of water and gas inside the anode is improved obviously after hydrogen emission.

Keywords：proton exchange membrane fuel cell； numerical simulation； emission； hydrogen system； emission characteristics