張椿　喬運(yùn)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(jī)、電堆等部件按照物理特性進(jìn)行抽象化，通過(guò)自定義工況進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，具有較高的準(zhǔn)確性，對(duì)PEMFC系統(tǒng)控制策略研究以及掌握其中機(jī)理有積極推動(dòng)的作用，有助于改善PEMFC的設(shè)計(jì)。

【關(guān)鍵詞】質(zhì)子交換膜燃料電池；搭建模型；系統(tǒng)仿真

中圖分類號(hào)：U469.72? ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? 文章編號(hào)：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(jiǎn)介

張椿，碩士，副高級(jí)工程師，研究方向?yàn)樾履茉雌?chē)。

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

目前國(guó)內(nèi)外研究學(xué)者對(duì)質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)建模和控制展開(kāi)了大量的研究，通過(guò)搭建動(dòng)態(tài)或穩(wěn)態(tài)模型，可以對(duì)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(jī)、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(guò)空壓機(jī)的流量以及壓力進(jìn)行控制[5]；水管理主要是電堆產(chǎn)生的水以及加濕器進(jìn)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(guò)程主要是通過(guò)模型將空壓機(jī)、電堆等按照物理特性進(jìn)行抽象化，建立起相關(guān)的機(jī)理模型，其中主要涉及的是質(zhì)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(yáng)極、陰極、膜中水的傳遞、電堆電壓等模型。陰、陽(yáng)極模型主要通過(guò)質(zhì)量流量、溫度、壓力、濕度等因素計(jì)算氣體質(zhì)量流量、氣體偏壓等；膜中水含量主要依靠陰、陽(yáng)極產(chǎn)生的水的活度，通過(guò)電滲傳遞、擴(kuò)散傳遞等計(jì)算出膜中水含量；電堆電壓模塊計(jì)算開(kāi)路電壓以及各種電池?fù)p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(dǎo)率的計(jì)算

質(zhì)子交換膜中水的傳遞受到電滲傳遞Jd和擴(kuò)散傳遞Jc的影響，電滲拖拽是穿過(guò)質(zhì)子交換膜孔隙的質(zhì)子會(huì)拖拽一個(gè)或多個(gè)水分子的一種現(xiàn)象，其中質(zhì)子移動(dòng)影響水移動(dòng)的程度利用電滲拖拽系數(shù)來(lái)衡量，它定義為伴隨每個(gè)質(zhì)子而移動(dòng)的水分子的數(shù)目；水的反向擴(kuò)散是電滲拖拽使得水從陽(yáng)極移動(dòng)到陰極，然而當(dāng)水在陰極集聚時(shí)就會(huì)發(fā)生反向擴(kuò)散，導(dǎo)致水從陰極傳輸?shù)疥?yáng)極的一種現(xiàn)象，這種反向擴(kuò)散現(xiàn)象的發(fā)生通常是由于陰極的水濃度遠(yuǎn)高于陽(yáng)極水濃度（陰極電化學(xué)反應(yīng)使水劇增），反向擴(kuò)散抵消了電滲拖拽的效果，在陰極陽(yáng)極水濃度梯度驅(qū)動(dòng)下，形成水的反向擴(kuò)散流通量。因此，膜的凈水通量J_w表達(dá)式如下：

2.2? 電堆電壓的計(jì)算

3? 仿真結(jié)果分析

燃料電池系統(tǒng)的外界輸入主要依靠需求電流進(jìn)行，因此，自定義工況如圖3所示，運(yùn)行自定義工況，相關(guān)參數(shù)結(jié)果如圖4～圖6所示。

綜上所述，分析結(jié)果如下所示。

1）電流密度大時(shí)，膜中水含量的傳遞主要是因?yàn)殡娺w移引起的，從陽(yáng)極遷移到陰極，水含量會(huì)增大，在電流階躍增大時(shí)，陰極水含量的增加量也增大。

2）陽(yáng)極的水含量因電遷移下降，隨著電池的運(yùn)行，陰極水含量反擴(kuò)散到陽(yáng)極，陽(yáng)極水含量上升。

3）陰極不增濕，膜內(nèi)的水從陽(yáng)極因?yàn)殡娺w移帶到陰極的水量是有限的，同時(shí)陰極的水還要反擴(kuò)散到陽(yáng)極，電化學(xué)反應(yīng)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(jié)論

本文通過(guò)將空壓機(jī)、電堆等部件按照物理特性進(jìn)行抽象化，建立燃料電池系統(tǒng)仿真模型，通過(guò)自定義工況進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)特性，對(duì)燃料電池系統(tǒng)控制策略研究以及掌握其中的機(jī)理有積極推動(dòng)作用。

參考文獻(xiàn)：

[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(zhǎng)春：吉林大學(xué)，2020.

[3] 吳波，劉長(zhǎng)振，袁永先，等. 低壓PEMFC系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證[J]. 電源技術(shù)，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(zhì)子交換膜燃料電池發(fā)動(dòng)機(jī)空氣系統(tǒng)仿真與試驗(yàn)研究[J]. 車(chē)用發(fā)動(dòng)機(jī)，2011（1）：38-41.

（編輯? 凌? 波）