燃料电池运行控制参数影响规律仿真分析

陈秋霖，纪少波，陈忠言，李朝凯，赵同军，王豪，程勇

(1.山东大学 能源与动力工程学院，山东 济南 250061；2.山东氢探新能源科技有限公司，山东 济南 250101)

0 引言

化石能源是非可再生能源，开采、使用和消耗都会污染环境，寻找更加高效清洁的能源作为车载动力成为当前的研究热点。质子交换膜燃料电池(proton exchange membrane fuel cell，PEMFC)以氢气和氧气为燃料，生成产物是水，能量转换过程具有清洁无污染等优点，因此，PEMFC的研究和开发得到广泛的关注[1-3]。PEMFC工作过程中的主要控制参数包括电堆温度、膜湿度、阴阳极压力及阴阳极压差等，上述控制参数的优化有助于提高燃料电池的性能。

本研究基于Simulink平台，利用Thermolib工具包建立PEMFC仿真模型，在对模型进行验证的基础上，分别改变PEMFC的控制参数，通过电池输出电压和输出功率随电流密度的变化趋势，揭示各控制参数对PEMFC性能的影响规律。研究结果对于PEMFC控制策略的制定及优化具有一定的指导意义。

1 PEMFC模型搭建及验证

1.1 Thermolib工具包

采用Thermolib工具包搭建PEMFC的分析模型，Thermolib是由德国EUTech研发的基于MATLAB/Simulink环境下的仿真分析工具包，可基于工程热物理基本原理建模，具备热力学状态计算功能，是热力学及燃料电池仿真的专业工具包，可提供燃料电池模型仿真所需要的热力学、流体力学及电化学反应等模型库，以及泵、阀、压缩机、增湿器、冷却系统及罐等外围模型。利用Thermolib可以低成本、快速搭建燃料电池系统，进行软件在环仿真(software in the loop，SIL)及硬件在环仿真(hardware in the loop，HIL)开发，实现控制策略的仿真分析及优化。

Thermolib工具包的单电池外部电压可表示为能斯特电压与电池电化学反应过程中欧姆损失、活化损失和浓差极化损失电压的差，计算式为：

Vcell=Enenst-Vact-Vohm-Vcon，

(1)

式中：Enenst为能斯特电压;Vact为活化极化过电压;Vohm为欧姆极化过电压;Vcon为浓差极化过电压。

在由N个PEMFC燃料电池串联组成的电堆中，电堆总输出电压

Vstack=N·Vcell,

(2)

式中Vcell为燃料电池电压。

1.2 模型搭建

以Ballard公司的Mark V PEMFC为仿真对象搭建分析模型，该燃料电池的主要参数如表1所示。

表1 Mark V PEMFC的主要参数

基于Mark V燃料电池搭建PEMFC仿真模型，模型包括电堆模块、阴极供气系统模块、阳极供氢系统模块、冷却循环系统模块及控制系统模块等部分。阴极供气系统包括空气滤清器、空气流量计、泵、泄压阀、混合器等模块；阳极供氢系统包括氢气罐、电磁阀、氢气流量计、增压器、氢气回收、混合器以及加湿器等模块；冷却循环系统包括三通阀、换热器、泵等模块，搭建的模型如图1所示。

图1 PEMFC仿真模型

1.3 模型验证

文献[4]测试Mark V燃料电池电堆开路状态及正常工作时输出电压及温度的变化曲线。按文献[4]的试验条件设置仿真模型的运行参数并进行计算分析，对比计算结果与试验结果的差异。表2为电堆开路及输出电流为20 A时，电堆输出电压及温度的对比结果。由表2可见，两种条件下输出电压的最大误差为4%，电堆温度的最大误差为1%。对比结果表明，模型可以满足PEMFC燃料电池性能的仿真要求。

表2 试验数据对比验证

2 不同运行控制参数影响规律研究

2.1 温度对燃料电池的影响

图2 PEMFC电堆在不同温度下的极化曲线

图3 PEMFC电堆在不同温度下的功率变化曲线

目前PEMFC广泛采用的是美国杜邦公司的Nafion膜，常用工作温度为80 ℃。在膜湿度为90%，阳极压力pa=0.6 MPa，阴极压力pc=0.1 MPa时，改变PEMFC的电堆温度，研究电堆输出电压及功率随电流密度的变化趋势，结果如图2、3所示。由图2可知，在同一温度下，随着电流密度的增大，电堆的电压逐渐降低。由公式(1)可知，电堆输出电压随3个极化过电压的增大而减小；在同一温度下，3个极化过电压均随电流密度的增大而增大[5-7]，因此PEMFC的输出电压随电流密度的增大而减小。在相同的电流密度下，电堆输出电压随着电堆温度升高呈增大的趋势。这是因为随着温度的升高，燃料气体向催化层扩散的速度增加，减小浓差极化作用；催化剂的活性提高，加快反应气体的离子化速度，提高化学反应速率；高温有利于排出阴极反应生成的水，有助于消除电极淹没问题；在膜水含量充足的情况下，质子交换膜内水扩散系数增加，使得膜内水分布均匀，质子膜的电导率增加、膜电阻减小，电池性能得到提高。

图4 PEMFC电堆在不同膜湿度下的极化曲线

由图3可知，在同一温度下，随着电流密度的增大，电堆的输出功率先升高后下降。这是因为电池输出电压随电流的增大而减小，而功率为电流和输出电压的乘积[8-9]，所以功率的变化曲线存在极值。在相同的电流密度条件下，燃料电池电堆功率随着电池工作温度的升高而增大，这是因为电堆的输出电压随着燃料电池工作温度的升高而逐渐增大，使得燃料电池电堆的输出功率也逐渐增大。随着温度的升高，燃料电池的输出电压及功率都呈增大的趋势，过高的温度会影响燃料电池内部的湿度，甚至造成膜脱水，导致质子交换膜的湿度不足，使交换膜的传导率降低，从而影响电池的性能。PEMFC运行过程中需要控制冷却系统，优化电堆温度，使PEMFC的性能达到最佳。

2.2 膜湿度对燃料电池的影响

在电堆温度为353 K，pa=0.6 MPa，pc=0.1 MPa时，改变质子交换膜的湿度，研究电堆输出电压随电流密度的变化趋势，结果如图4所示。

由图4可见，电流密度相同时，质子交换膜的水含量即相对湿度越高，电堆的输出电压越高，在相对湿度为100%时达到最高值，这是由于质子交换膜内水含量增加，相对湿度提高，可以加快质子交换膜内的质子传递速度，提高化学反应速率，减小质子交换膜的电阻，增大交换膜的电导率，进而提高燃料电池的性能。因此，PEMFC运行过程中需要通过增湿器保持膜的高湿度以提高电池的性能。

2.3 阴阳极压力对燃料电池的影响

在电堆温度为353 K，膜湿度为90%，氢气和氧气侧压力不同时，研究电堆输出功率随电流密度的变化趋势，结果如图5所示。由图5可见，当氧气侧压力固定，电堆的输出功率随氢气压力的增大而增加；当氢气侧压力固定时，随着氧气压力的增大，电堆输出功率先增加后大幅度降低。

图5 不同氧气压力下电堆输出功率 随氢气压力的变化曲线

电堆工作过程中，氢气和氧气通过双极板扩散到催化层进行吸附和解离，压力增大有利于增加反应气的浓度，加快反应气体的扩散速度，进而促进反应气体在催化层的吸附，提升化学反应速率，从而改善电堆性能。当氧气侧压力固定，增大氢气侧压力时，由于反应速率的提升，使得PEMFC的性能得到改善。当氢气侧压力固定，适当增大氧气侧压力时，反应速率的提升亦能改善PEMFC的性能，但随着压力的继续增加，阴极出现积水现象，反而阻碍了氧气的扩散，使得电堆性能降低。因此，为了提高PEMFC的性能，可以增加氢气侧压力，且使阳极压力高于阴极压力。因此，提高进气压力能够改善电堆性能，但压力的增加需要考虑电堆密封、压缩系统的消耗和成本等因素[10-11]，需进行合理控制。

图6 不同压差下电堆输出功率 随电流密度的变化曲线

2.4 压差对燃料电池的影响

在电堆温度为343 K，膜湿度为90%，阳极压力为0.8 MPa，不同阴阳极压差下，研究电池电堆的输出功率随电流密度变化的曲线，结果如图6所示。由图6可知，PEMFC的输出功率随压差的增大而增加，在压差0.5 MPa时达到最大值；同时也可看出，随着压差的增大，功率的增加量变小。

阳阴极存在压差有利于提高气体从阳极到阴极的扩散速度，提高化学反应速率，提高燃料电池输出功率。但过高的压差有可能会使交换膜破裂，损坏膜电极，导致燃料电池出现故障。电堆实际工作过程中需合理控制阳极和阴极的压差。

3 结论

基于Simulink平台，利用Thermolib工具包建立PEMFC仿真模型，研究电堆温度、膜湿度、阴阳极气体压力和压差等控制参数对电堆性能的影响规律，主要结论如下：

1)提高电堆温度，活化极化过电压、欧姆极化过电压及浓差极化过电压均呈降低的趋势，进而增大PEMFC输出电压和输出功率，改善PEMFC的性能。

2)质子交换膜湿度增加能够加快质子交换膜内的质子传递速度，增大交换膜的电导率，提高PEMFC燃料电池的工作性能。

3)增大阳极压力能够加快反应气体的扩散速度，提升化学反应速率；阴极压力过大导致阴极出现积水现象，对电堆性能有不利影响。

4)增大阴阳极反应气体的压差，有利于提高气体从阳极到阴极的扩散速度，加快反应进行，从而提高PEMFC的输出功率。