雍加望，趙倩倩，馮能蓮

（1.北京工業(yè)大學(xué)交通工程系，北京 100124；2.北京工業(yè)大學(xué)汽車工程系，北京 100124）

0 引言

能源危機(jī)和環(huán)境污染問題使得潛力巨大的燃料電池技術(shù)得到快速發(fā)展。在所有類型的燃料電池中，質(zhì)子交換膜燃料電池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）具有廣闊的應(yīng)用前景。在催化劑的作用下，PEMFC中的氫氣與空氣中的氧氣發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)只生成水，PEMFC具有能量轉(zhuǎn)換效率高、低溫快速啟動、環(huán)境友好、噪聲小以及與車輛中其他子系統(tǒng)兼容集成性能好等優(yōu)勢[1，2]。由于這些潛在的優(yōu)勢，使得PEMFC被開發(fā)應(yīng)用在新能源汽車領(lǐng)域，并得到了許多政府和汽車企業(yè)的認(rèn)可。

針對燃料電池系統(tǒng)模型的搭建，國內(nèi)外研究人員進(jìn)行了廣泛而深入的研究。Omran A[3]建立了PEMFC數(shù)學(xué)模型（包括電堆模型、升壓轉(zhuǎn)換器模型、外部負(fù)載模型和性能參數(shù)計算模型），并通過仿真與實驗手段驗證了外部負(fù)載變化工況下的系統(tǒng)整體效率。Le A D[4]建立了考慮流體流動、傳熱、電化學(xué)和電流密度分布等因素的通用PEMFC模型，并研究了液態(tài)水對蛇形通道PEMFC的影響。房鑫[5]將機(jī)理模型和辨識模型結(jié)合，建立了PEMFC混合動態(tài)模型。郭建忠[6]采用MATLAB/Simulink中的S-Function模塊搭建了PEMFC的電堆模型以及氣路和水路模型。衛(wèi)超強(qiáng)[7]和石磊[8]通過COMSOL軟件搭建了PEMFC單體電池模型，分別研究了工作溫度和流道結(jié)構(gòu)對電堆內(nèi)水分布和電池輸出性能的影響。

基于Simscape的物理建模方法具有模型結(jié)構(gòu)簡單、計算準(zhǔn)確性高的特點。Simscape建模是根據(jù)實際系統(tǒng)的物理結(jié)構(gòu)搭建模型，不需要按照傳統(tǒng)的Simulink數(shù)學(xué)計算模塊進(jìn)行建模，并且通過數(shù)學(xué)信號-物理信號轉(zhuǎn)換模塊，可將構(gòu)建的Simscape系統(tǒng)模型與普通Simulink模型直接集成[9]?，F(xiàn)有的燃料電池系統(tǒng)研究主要是基于數(shù)學(xué)原理進(jìn)行建模仿真，很少有學(xué)者基于Simscape物理建模方法對其進(jìn)行研究，并且對故障工況下燃料電池性能影響的研究較少。因此，本文在文獻(xiàn)[10]中模型的基礎(chǔ)上，采用Simulink軟件搭建了燃料電池溫度模型，并基于Simscape物理建模平臺建立熱管理系統(tǒng)模型，之后對熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了故障仿真，可為PEMFC故障診斷提供依據(jù)，有助于延長PEMFC使用壽命并提高安全性。

1 PEMFC系統(tǒng)

燃料電池系統(tǒng)由燃料電池堆、氫氣供給系統(tǒng)、空氣供給系統(tǒng)、增濕系統(tǒng)、熱管理系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)組成，圖1為其組成示意圖。在實際應(yīng)用中，燃料電池堆是根據(jù)負(fù)載的功率需求由若干片單片電池串聯(lián)組成；氫氣供給系統(tǒng)采用氫氣瓶供給燃料，經(jīng)過減壓閥輸入燃料電池堆中進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)，反應(yīng)剩余的氫氣通過氫氣循環(huán)泵再次送入電堆中；空氣供給系統(tǒng)由空氣過濾器及壓縮機(jī)組成，可向燃料電池系統(tǒng)輸送氧氣；增濕系統(tǒng)可控制電堆內(nèi)的含水量（若含水量過多則會造成電極水淹和淹膜，含水量太少則會造成膜過干，兩者都會使燃料電池性能下降），該子系統(tǒng)的主要設(shè)備是增濕器；熱管理系統(tǒng)的主要任務(wù)是保持電堆的工作溫度處于最佳區(qū)間內(nèi)，其主要包括散熱器、冷卻液泵和冷卻液箱；燃料電池系統(tǒng)在工作時會產(chǎn)生大量的熱，需要冷卻液循環(huán)及時帶走多余的熱量，否則電池過熱會導(dǎo)致膜過干，使燃料電池系統(tǒng)無法正常工作，當(dāng)環(huán)境溫度較低時，為了防止反應(yīng)生成物（水）的凍結(jié)，需要加熱冷卻液進(jìn)而對電堆加熱；控制系統(tǒng)中的控制策略用來控制各種閥門、泵、散熱器風(fēng)扇等，進(jìn)而調(diào)節(jié)氣、水、熱的供給，保證燃料電池的輸出性能。

圖1 燃料電池系統(tǒng)組成示意圖Fig.1 Composition diagram of the fuel cell system diagram

2 熱管理系統(tǒng)建模及驗證

2.1 PEMFC電堆模型

PEMFC電堆模型采用文獻(xiàn)[10]中的模型，其中包括電堆電壓模型、陰極模型、質(zhì)子交換膜水模型和陽極模型，其模型框圖見圖2。

圖2 PEMFC電堆模型框圖Fig.2 Stack block diagram of the PEMFC

2.2 溫度模型

燃料電池電堆內(nèi)的能量平衡方程可表示為

式中：qtheo為理論上燃料電池電化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)生的能量，kW；qelec為燃料電池產(chǎn)生的電能，kW；qsens為燃料電池堆中流體的溫度轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)溫度時需要的能量，即顯熱，kW；qlatent為燃料電池堆中水相變產(chǎn)生的能量，即潛熱，kW；qcool為冷卻液帶走的電堆中產(chǎn)生的熱量，kW。

qtheo的計算式為

式中：WH2，reacted為電堆中反應(yīng)消耗氫氣的質(zhì)量流量，kg/s；MH2為氫氣的摩爾質(zhì)量，kg/mol；ΔHrxn為電化學(xué)反應(yīng)中氫氣反應(yīng)時的焓變，標(biāo)準(zhǔn)條件下，該值為285.8 kJ/mol。

qelec的計算式為

式中：n為燃料電池堆中單電池的數(shù)量；Vfc為燃料電池堆的輸出電壓，V；I為燃料電池堆的負(fù)載電流，A。

燃料電池堆中陽極流體的顯熱qsens，an和陰極流體的顯熱qsens，ca的計算式分別為

式中：WH2，an，out為陽極出口氫氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，g，an，out為陽極出口水蒸氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，l，an，out為陽極出口液體水質(zhì)量流量，kg/s；WH2，an，in為陽極進(jìn)口氫氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，g，an，in為陽極進(jìn)口水蒸氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，l，an，in為陽極進(jìn)口液體水質(zhì)量流量，kg/s；Cp，H2，g為氫氣比熱容，kJ/（kg·K）；Cp，H2O，g為水蒸氣比熱容，kJ/（kg·K）；Cp，H2O，l為液態(tài)水比熱容，kJ/（kg·K）；Tan，out為陽極出口溫度，K；Tan，in為陽極進(jìn)口溫度，K；Tatm為環(huán)境溫度，K；WO2，ca，out為陰極出口氧氣質(zhì)量流量，kg/s；Cp，O2，g為氧氣比熱容，kJ/（kg·K）；Ww，g，ca，out為陰極出口水蒸氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，l，ca，out為陰極出口液體水質(zhì)量流量，kg/s；WW，N2，ca，out為陰極出口氮氣質(zhì)量流量，kg/s；Cp，N2，g為氮氣比熱容，kJ/（kg·K）；WO2，ca，in為陰極進(jìn)口氧氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，g，ca，in為陰極進(jìn)口水蒸氣質(zhì)量流量，kg/s；Ww，l，ca，in為陰極進(jìn)口液體水質(zhì)量流量，kg/s；WN2，in為陰極進(jìn)口氮氣質(zhì)量流量，kg/s；Tca，out為陰極出口溫度，K；Tca，in為陰極進(jìn)口溫度，K。

qsens的計算式為

陽極中水蒸發(fā)產(chǎn)生的潛熱量qlatent，an的計算式為

式中：Wmembrane為通過質(zhì)子交換膜的水流量，kg/s；Hvaporization為水的摩爾焓，kJ/mol；Mvaporization為水的摩爾質(zhì)量，kg/mol。

陰極中的潛熱量的計算要比陽極復(fù)雜，因為陰極中存在水的生成和水的相變，如果陰極中水蒸氣達(dá)到了飽和狀態(tài)，開始有液態(tài)水的存在，即液態(tài)水質(zhì)量大于0，則陰極中水蒸發(fā)產(chǎn)生的潛熱量qlatent，ca的計算式為

否則，陰極中反應(yīng)生成的水和流入陰極的液態(tài)水均會蒸發(fā)為水蒸氣，陰極中水蒸發(fā)產(chǎn)生的潛熱量qlatent，ca的計算式為

水的摩爾焓Hvaporization的計算式為

式（8）～（10）中：下標(biāo)c1和c2代表水的不同狀態(tài)，也對應(yīng)著不同溫度，即計算Hvaporization,c1時，T取環(huán)境溫度Tatm；計算Hvaporization,c2時，T取電堆溫度Tfc。

qlatent的計算式為

qcool的計算式為

式中：Ww,in為冷卻液流量，kg/s；Tw,in為冷卻液進(jìn)堆溫度，K；mst為燃料電池電堆的質(zhì)量，kg；Cp,st為燃料電池電堆的平均比熱容，取35 kJ/（kg·K）[11]。

至此，本文所搭建的溫度模型如圖3所示。

圖3 溫度模型Fig.3 Temperature model

2.3 熱管理系統(tǒng)模型及參數(shù)設(shè)置

采用MATLAB/Simulink/Simscape搭建燃料電池堆的熱管理系統(tǒng)模型（圖4），構(gòu)建其散熱器、冷卻水泵、冷卻水箱等關(guān)鍵模塊（圖5）。

圖4 熱管理系統(tǒng)模型Fig.4 Thermal management system model

圖5 管道模塊、控制質(zhì)量流量源模塊和平移機(jī)械轉(zhuǎn)換器模塊Fig.5 Pipe module，controlled mass flow rate source module and translation mechanical converter module

圖5（a）為管道模塊，可以表示流體通過管道壁面的傳熱情況，其中，A為入口，B為出口，H為管壁換熱接口。在熱管理系統(tǒng)模型中，使用該模塊模擬散熱器管道。圖5（b）為控制質(zhì)量流量源模塊，可以表示熱流體系統(tǒng)中理想的機(jī)械能量來源，其中，流體從A端口流向B端口為正方向；M為控制信號，控制冷卻液通過的質(zhì)量流量大小。該模塊不考慮進(jìn)出口的壓差，并且假設(shè)其與流體之間沒有熱交換。在本模型中，使用該模塊模擬冷卻水泵。圖5（c）為平移機(jī)械轉(zhuǎn)換器模塊，模擬了流體和機(jī)械平移系統(tǒng)之間的界面，可以用作線性執(zhí)行器的構(gòu)件，該轉(zhuǎn)換器裝有可變?nèi)莘e的液體，溫度的變化取決于液體的熱容，將流體動態(tài)可壓縮性設(shè)置為打開模式后，壓力也會根據(jù)液體體積的動態(tài)可壓縮性來變化。該模塊可以用來模擬熱管理系統(tǒng)中的冷卻水箱，本模型設(shè)定水箱橫截面積為0.1 m2，初始冷卻液液位為0.07 m。

燃料電池的發(fā)電效率為40%～60%，其余的能量是以熱能的形式散出去的。由式（3）計算得到所搭建的燃料電池堆模型可以發(fā)出36.8 kW的電能，假設(shè)燃料電池的發(fā)電效率為50%，則燃料電池可以同時產(chǎn)生大約36.8 kW的廢熱。用于散熱的冷卻液流量的計算式為

式中：ΔT為冷卻液的進(jìn)出堆溫差，℃。

當(dāng)ΔT為10℃時，Ww，in約為0.88 kg/s；當(dāng)ΔT為5℃時，Ww，in約為1.75 kg/s。

熱管理系統(tǒng)模型中選用翅片式散熱器，散熱器管道數(shù)目n與散熱管的橫切面積和冷卻液流量有關(guān)[12]，其計算式為

式中：ρw為冷卻液的密度，選用水作為冷卻液，則該值為1 000 kg/m3；v為散熱器管道中冷卻液的流速，參照文獻(xiàn)[13]，本文取1 m/s；S為散熱器管道的橫截面，模型中散熱器管道橫截面的尺寸為1.5 mm×25 mm。

根據(jù)式（15），計算得出該熱管理系統(tǒng)的散熱器管道數(shù)目應(yīng)大于47，本模型選取50。熱側(cè)流體的總流通面積Aw為

根據(jù)上文確定的散熱器尺寸，求得當(dāng)量直徑de為

考慮空氣側(cè)的換熱情況，空氣的體積流量Vair的計算式為

式中：qair為散熱器散發(fā)到空氣中的熱量，kW，由于要保持熱平衡，該值與qcool相等；ρa(bǔ)ir為空氣密度，取1.2 kg/m3；ΔTair為空氣與散熱器換熱前后的溫差，℃。

空氣與散熱器換熱前的初始溫度為25℃，與散熱器換熱后的溫度取散熱器空氣入口溫度和出口溫度的平均值（52.5℃），則ΔTair的計算結(jié)果為27.5℃。

冷卻空氣與散熱器換熱的面積Arad,air的計算式為

式中：vair為空氣流速，取2.5 m/s。

由式（18），（19）可計算出Arad,air為0.44 m2。

2.4 熱管理系統(tǒng)控制

PEMFC熱管理系統(tǒng)可使燃料電池維持在適宜的工作溫度，從而使燃料電池具有較好的輸出性能。本文采用傳統(tǒng)的PID控制方法對PEMFC熱管理系統(tǒng)進(jìn)行控制，PID控制被廣泛應(yīng)用于工業(yè)過程控制，具有算法簡單、魯棒性好和可靠性高等優(yōu)點。

PEMFC熱管理系統(tǒng)的具體控制方法：在熱管理系統(tǒng)模型中加入溫度傳感器模塊，該模塊可以測量電堆溫度，并將其與設(shè)定的電堆目標(biāo)溫度進(jìn)行比較，PID根據(jù)得出的溫度差值進(jìn)行運(yùn)算調(diào)節(jié)處理，得到經(jīng)過冷卻水泵的冷卻液流量，從而通過改變冷卻液流量來調(diào)節(jié)電堆的工作溫度。因此，PID控制器的輸入量為電堆的目標(biāo)工作溫度Tset與測量的工作溫度Tmeas的差值e，輸出量為冷卻水泵的冷卻液流量Ww，in。PID控制框圖如圖6所示。

圖6 燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)的PID控制框圖Fig.6 PID control diagram of the fuel cell thermal management system

將控制模型在Simulink下進(jìn)行仿真，可得到燃料電池電堆溫度在該P(yáng)ID控制下的響應(yīng)曲線，如圖7所示。

圖7 電堆溫度控制結(jié)果Fig.7 The control result of stack temperature

由圖7可以看出：采用PID控制燃料電池?zé)峁芾硐到y(tǒng)后，當(dāng)系統(tǒng)的負(fù)載電流為50 A時，電堆可以在0.9 s左右達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)溫度（80℃），之后上升到82℃并在約100 s時逐漸穩(wěn)定到80℃，在達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)后，振蕩幾乎消除；當(dāng)負(fù)載電流由50 A增大到80 A時以及由80 A增大到100 A時，在PID控制下，電堆溫度突增后瞬間回到目標(biāo)值，表明PID控制方法的控制效果很好；當(dāng)負(fù)載電流從100 A下降到60 A時，電堆溫度出現(xiàn)突降后同樣穩(wěn)定上升到設(shè)定的目標(biāo)值。綜上可知，PID控制方法可以將燃料電池電堆溫度維持在目標(biāo)值±2℃，同時能對負(fù)載波動快速響應(yīng)，使電堆溫度迅速達(dá)到穩(wěn)定。

2.5 模型驗證

為了驗證所搭建模型的合理性與準(zhǔn)確性，將燃料電池堆模型和熱管理系統(tǒng)模型的模擬數(shù)據(jù)與實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行對比驗證。針對燃料電池堆模型的驗證，采用文獻(xiàn)[14]中設(shè)置的運(yùn)行參數(shù)，即環(huán)境溫度為25℃，電堆工作溫度為72℃，氫氣供給壓力為3.039×105Pa，空氣供給壓力為3.039×105Pa，過氧比為2。將燃料電池堆模型得出的極化曲線與文獻(xiàn)[14]中的實驗結(jié)果進(jìn)行對比驗證，結(jié)果如圖8所示。

圖8 模型與實驗極化曲線對比Fig.8 Comparison of model and experimental polarization curves

由圖8可以看出：本文所搭建模型得出的極化曲線與實驗得出的極化曲線基本一致，當(dāng)電流密度為0～0.05 A/cm2時，模型輸出的電壓略低于實驗值，其中最大誤差為0.023 V，相對誤差約為2.1%；當(dāng)電流密度為0.05～0.8 A/cm2時，模型輸出的電壓略高于實驗值，其中最大誤差約為0.036 V，相對誤差約為4.6%；當(dāng)電流密度為0.8～1.0 A/cm2時，模型輸出的電壓略低于實驗值，其中最大誤差約為0.014 V，相對誤差約為2.5%。綜上所述，電堆電壓的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的相對誤差在5%以內(nèi)，保證了本文所建模型的合理性和準(zhǔn)確性。

針對熱管理系統(tǒng)模型的驗證，首先將模型中冷卻液的流量設(shè)定為與文獻(xiàn)[15]中一樣，為一恒定值，且負(fù)載電流設(shè)定為從80 A逐漸上升到200 A，步長為40 A，對比模型與實驗的冷卻水進(jìn)、出堆溫差結(jié)果見圖9。由圖9可知：隨著負(fù)載電流的增加，冷卻水進(jìn)、出堆溫差也隨之增加，這是由于電堆電流的增加會導(dǎo)致電池發(fā)電時產(chǎn)熱量的增加，從而影響冷卻水進(jìn)、出電堆的溫度；冷卻水進(jìn)、出堆溫差的模型輸出結(jié)果與實驗結(jié)果的變化趨勢一致。當(dāng)負(fù)載電流為80 A時，最大誤差約為0.212℃，相對誤差約為3.8%；當(dāng)負(fù)載電流為120 A時，最大誤差約為0.544℃，相對誤差約為8.7%；當(dāng)負(fù)載電流為160 A時，最大誤差約為0.240℃，相對誤差約為3.0%；當(dāng)負(fù)載電流為200 A時，最大誤差約為0.273℃，相對誤差約為2.7%。綜上所述，冷卻水進(jìn)、出堆溫差的仿真結(jié)果與實驗數(shù)據(jù)的相對誤差大部分在5%以內(nèi)，說明模型可以有效反映燃料電池的溫度特性，能夠較好地模擬電堆的產(chǎn)熱情況。

圖9 模型與實驗冷卻水進(jìn)、出堆溫差對比Fig.9 Comparison of model and experimental cooling water inlet and outlet temperature difference

3 熱管理系統(tǒng)故障仿真

燃料電池系統(tǒng)中的熱管理系統(tǒng)主要是通過控制冷卻液進(jìn)入電堆流量大小的方式使燃料電池電堆保持在最佳工作溫度，進(jìn)而使其輸出性能最佳。熱管理系統(tǒng)是燃料電池系統(tǒng)中重要的子系統(tǒng)，在實際情況中，系統(tǒng)中各設(shè)備由于使用時間過長而出現(xiàn)老化或損壞（直接失效），由此可能出現(xiàn)冷卻液出堆溫度變高或冷卻液壓力降低等現(xiàn)象，直接導(dǎo)致燃料電池輸出性能的降低。在穩(wěn)態(tài)工況下，本文對熱管理系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的典型故障進(jìn)行仿真和分析。

3.1 散熱器風(fēng)扇故障

圖10為散熱器風(fēng)扇故障模式下燃料電池的性能曲線。在熱管理系統(tǒng)中，通過控制散熱器風(fēng)扇使冷卻液降溫從而冷卻電堆，因此，本文通過改變散熱器風(fēng)扇效率參數(shù)來模擬散熱器風(fēng)扇的健康狀態(tài)。當(dāng)效率為80%時，散熱器風(fēng)扇為正常工作狀態(tài)；當(dāng)效率降為30%時，散熱器風(fēng)扇已老化使效率降低；當(dāng)效率為0時，散熱器風(fēng)扇出現(xiàn)了嚴(yán)重故障，已完全失效。由圖10（a）可知：隨著散熱器風(fēng)扇效率的降低，冷卻液出堆溫度升高，當(dāng)散熱器風(fēng)扇效率為80%時，經(jīng)過約40 s，冷卻液出堆溫度趨于穩(wěn)定值346 K；當(dāng)效率降為30%時，經(jīng)過約50 s，冷卻液出堆溫度趨于穩(wěn)定值353 K；當(dāng)散熱器風(fēng)扇完全故障后（效率為0），冷卻液出堆溫度升高到372 K，遠(yuǎn)高于PEMFC的最佳工作溫度353 K。從圖10（b）可以看出：當(dāng)散熱器風(fēng)扇發(fā)生故障，熱管理系統(tǒng)效果變差，膜中含水量也隨之下降；當(dāng)散熱器風(fēng)扇完全故障后（效率為0），膜中含水量的變化不再是一條穩(wěn)定曲線，而是從15 s左右開始，從14%急劇下降到7%左右，膜從初始的濕潤狀態(tài)下降到干燥狀態(tài)，出現(xiàn)了膜干現(xiàn)象。膜中含水量的多少直接會影響到膜的傳導(dǎo)率，即影響燃料電池內(nèi)質(zhì)子穿過交換膜的能力，因此，燃料電池的輸出電壓也出現(xiàn)了下降，在大約50 s時，電壓從352 V左右下降到了345 V左右[圖10（c）]。

圖10 散熱器風(fēng)扇故障模式下的燃料電池性能曲線Fig.10 Fuel cell performance curves under radiator fan failure mode

3.2 冷卻液流量不足

圖11為冷卻液流量不足模式下燃料電池的性能曲線。

圖11 冷卻液流量不足模式下的燃料電池性能曲線Fig.11 Fuel cell performance curves under insufficient coolant flow mode

在熱管理系統(tǒng)中，造成冷卻液出現(xiàn)流量不足的原因有：管道破裂、管道堵塞、水箱破裂、水箱缺水、水泵出現(xiàn)故障等。通過改變冷卻液流量對以上故障進(jìn)行分析，冷卻液流量也間接表示了故障嚴(yán)重程度，選取充足的冷卻液流量為1.5 kg/s，表示各設(shè)備為正常狀態(tài)；冷卻液流量為1.0 kg/s，表示系統(tǒng)出現(xiàn)了輕度故障；冷卻液流量下降到0.5 kg/s，表示系統(tǒng)出現(xiàn)了重度故障。由圖11可知：隨著冷卻液流量的降低，冷卻液壓力從1.29×105Pa下降到了1.13×105Pa；冷卻液流量不足也會造成冷卻液出堆溫度過高，當(dāng)冷卻液流量為0.5 kg/s時，冷卻液出堆溫度一直在上升，約80 s時，溫度趨于平穩(wěn)，此時溫度已上升到370 K，超過了燃料電池的最佳工作溫度，從而影響燃料電池的輸出性能，導(dǎo)致輸出電壓的下降。

4 結(jié)論

本文以PEMFC系統(tǒng)為研究對象，將數(shù)學(xué)機(jī)理模型和物理模型集成構(gòu)建了完整的PEMFC系統(tǒng)仿真模型，并基于該模型對PEMFC熱管理系統(tǒng)進(jìn)行了故障仿真研究。

①將基于MATLAB/Simulink軟件搭建的PEMFC電堆數(shù)學(xué)機(jī)理模型和基于Simscape平臺搭建的熱管理系統(tǒng)物理模型集成了PEMFC系統(tǒng)仿真模型，經(jīng)與實驗結(jié)果進(jìn)行比較，驗證了模型的合理性。

②本文搭建的熱管理系統(tǒng)模型可以進(jìn)行故障仿真。當(dāng)熱管理系統(tǒng)的散熱器風(fēng)扇發(fā)生故障后，隨著故障程度的加深，冷卻液出堆溫度逐漸升高，遠(yuǎn)高于最佳工作溫度，同時，燃料電池電堆的交換膜的含水量快速下降，出現(xiàn)了膜干現(xiàn)象，導(dǎo)致燃料電池的輸出電壓急劇下降。隨著熱管理系統(tǒng)中冷卻液流量的不足，冷卻液壓力會有顯著的下降，同樣會造成冷卻液出堆溫度過高而影響燃料電池的輸出性能。

③從仿真結(jié)果可知，可以通過監(jiān)測冷卻液壓力、冷卻液出堆溫度、電堆電壓等參數(shù)及時了解熱管理系統(tǒng)的工作狀態(tài)，及時對其進(jìn)行故障診斷。