2021年03月24日 | 聚合物电解膜燃料电池堆的开发

燃料电池为商用车的低碳运行作出了重要的贡献。AVL公司旗下的研究人员目前已开发出了1种聚合物电解膜燃料电池堆和1款专用的模拟软件，以便在设计要求、软件可能性及试验数据之间进行深入的研究和优化。

0 前言

出于降低CO2排放的目标，重型商用车实现低碳运行是研究人员目前面临的1项艰巨挑战工作。因为商用车必须在持续的高功率状态下行驶，如果使其仅通过蓄电池驱动，会导致一系列问题。燃料电池同样能对商用车的低碳运行作出重要贡献，并且不会像蓄电池商用车一样产生诸多弊端。基于该原因，AVL公司旗下的研究人员开发了1种聚合物电解膜燃料电池堆(图1)。研究人员通过高品质的模拟过程以改善其技术参数，并对燃料电池的性能和品质作出最佳预测。

图1 由AVL公司开发的聚合物电解膜燃料电池堆

更低的运行成本、更高的效率和更长的使用寿命是商用车开发过程中的决定性因素，但在燃料电池系统中，冷却系统产生的影响则更为重要。通过对不同方案和场景进行模拟，研究人员为燃料电池堆选定了设计参数(表1)，并将其用于进一步的试验过程中。基于聚合物电解膜燃料电池系统的开发经验，研究人员选择了研发初期阶段的运行条件，以便通过现有的零部件即可获得1种具有更低燃料消耗，且更为坚固耐用的系统。同时，研究人员通过专门开发的湿膜模型研究了电池堆结构，随后又选择了有效面积为275 cm2的电池堆。该电池堆共配备有330片电池。同时，研究人员在同一模拟过程中分析了电池片内部和电池片之间的特定目标值，从而使氢燃料、空气和冷却液流量得以均匀分配。

表1 聚合物电解膜燃料电池堆的重要设计参数

1 功率评估

在研究人员对电池堆结构进行设计时，实现具有快速时间趋同性的可靠功率模拟过程有着较高重要性，以此能无滞后地对场景进行分析。因为研究人员选择催化剂涂层膜(CCM)材料的过程与气体扩散层(GDL)材料相似，均存在着多种方案。研究人员为此已对多种场景进行了研究，以便查明双极板流场的最佳流道宽度。为实现更长的使用寿命及更精细的几何形状和尺寸，研究人员应选用合适的碳板。在作出选择后，研究人员从制造过程和系统误差等方面提出了相关要求。同时，这些要求又是得出最终流场几何学的基础。随后，研究人员需要经历多次优化CCM、GDL及流场的过程，方可得出最终的结构组成。

2 满足要求的极板设计分析

在选定用于膜电极单元(MEA)和双电极板的材料后，研究人员应重点关注流动分布状况。功率模拟可用于确定电池片内部和电池片之间流动分布均匀性的目标值，研究人员为此需要进行精准的三维计算流体动力学(3D-CFD)模拟，以便优化设计，并使系统维持均匀流动的分布状态。

研究人员借助于双电极板的计算机辅助设计(CAD)模型确定了模拟方案。为了达到较高的精度，应开发相应的模拟方法，但由此会带来较高的成本。

为了减小计算强度并减少计算成本，研究人员已在几何学上进行了适当的简化，从而在对模拟计算精度影响最小的情况下，充分缩短了计算时间。AVL公司旗下的研究人员对电池片及其内部的流动过程进行了模拟，从而满足系统对均匀流动分布的要求。

影响极板流动分布的1个临界部件位于流场开始出现阻抗的位置，该位置对于电池片实现稳定功率输出有着重要影响。如不对其进行优化，还会影响到电池片和电池堆的其他关键性能，包括电池功率密度、偏离设计运行条件的误差，以及电池片对冷起动的适应性等重要因素。研究人员借助于3D-CFD模拟软件，可在构件误差允许的情况下，预测到即将出现的偏差，从而避免流体出现不均匀分布现象并实现所需的目标值。图2示出了这种结果的实例。流体从流量较少的进口通道流入1个广阔的分布区域，再从此处流入流量较高的有效流道中。整个流动区域被施加了一定压力，并承受着由3种不同工作介质所产生的周期性压力波动。为此，减小其强度和刚度就显得较为重要。

图2 流体分布范围内的计算流体力学(CFD)模拟结果实例

上述分析的结果被研究人员用于改善进口的几何特征，从而能在不降低单个零件刚度的情况下减小该区域内的流动阻力。此外，在极板上还分布有数个部件，从而可使系统在整个设计范围内都能承受较高的负荷。因为涉及到碳复合材料，就临界意义而言，足以确定其材料性能，从而能获得精确的有限元(FEM)模拟结果。以此可在较小的材料延伸率情况下有所储备，并有利于提高安全性。

图3示出了流体介质分布范围内FEM 的分析实例。在相似情况下，研究人员通过FEM 分析得知，在某个偏离正常运行状况的条件下会超越目标值，于是评估了几个潜在的解决方案。这些方案应产生尽可能小的几何学变化，以便既不会使功率密度降低，同时也不影响到均匀的流动分布状况。

图3 流体介质分布范围内的FEM 模拟结果实例

3 使用寿命的分析

由于存在各种可能对系统产生损害的运行条件，从而使聚合物电解膜燃料电池的使用寿命难以预测。此类损害通常由电池的内部空间条件所引起，研究人员必须从空间上消除相应的负荷。不久前，AVL公司旗下的研究人员为改善聚合物电解膜燃料电池的物理性能，从而对电池片表面的主要负荷进行了评估。虽然这些软件功能目前尚处于开发过程中，但已被用于某些运行工况点条件下的设计与分析过程中。图4示出了这种功能的2个实例，分别为分散在空间的H2O2形成速度与电解膜的水含量分布。AVL公司所提出的适应方案的和另一些局部负荷模拟结果已通过了加速应力试验(AST)，以便预测燃料电池堆的使用寿命。目前，所开展的AST试验有助于评估催化剂涂层和燃料电池堆电解膜的使用寿命。这些试验结果与分散在空间的负荷信息和行驶循环相结合，研究人员就能对基于使用寿命的负荷累积情况有进一步了解。这些测量方式必须能应用于不同的负荷和故障型式，然后将其组合并集成到AVL公司的负荷矩阵中，对其使用寿命进行预测。

图4 分散在空间的H2O2形成速度和电解膜的水分布实例

4 样品制造和首次试验

燃料电池堆通常由许多单个电池片组成。研究人员为了对燃料电池的设计性能进行验证，尽管无需对整个电池堆开展试验，但必须了解到硬件配置和试验装置的潜在作用。由于每个电池片在电池堆中的位置彼此相异，由此会产生不同的边界条件。该现象会反过来影响到试验结果。出于该原因，研究人员选择了由10个电池片组成的最小电池堆，并以此开展试验。由于燃料电池堆通常配备有碳板极，样品会使用经铣削加工的双极板。该举措有助于快速地实现全新的设计方案，并大幅降低制造要求，因此首件样品的成本要明显低于冲压金属板，同时也提高了构件的允差。

因为与冲压成形这一方案相比，为数较少的几个相同零件通常采用铣削加工成形。但如果在首个电池堆的样品上采用该类方式，可能会使某些敏感性较高的试验产生错误的试验结果。

图5示出了配备有10个电池片的燃料电池堆功率试验结果与实际燃料电池功率模拟结果的比较。在模型与真实试验数据之间，总体偏差会在适当范围内进行变动，并会在极化曲线极限范围内出现某个峰值。

图5 电池堆样品的功率试验结果与模型预测的比较

在电流强度较小的情况下，电池片呈现出比模拟状态下更好的反应动力学，但是在电流强度超过额定电流强度550 A 的运行工况点情况下，模型预测值总体优于真实值。同时，在燃料电池堆以额定工况运行时，模型与试验数据之间存在较高的一致性。为了优化模型的输入参数，并提高电流强度和边界条件范围内的模型可靠性，研究人员进行了专门试验，并提供了相关试验报告。图5清楚地表明了基于电池堆功率目标的误差范围。由于该范围已得以扩展，由此会存在几种重新分配设计参数的可能性：(1)维持最初的设计点目标效率，但电池堆尺寸减小，且成本降低；(2)维持最初的设计点目标效率，但额定功率有所提高；(3)效率有所提高，但电池堆尺寸和额定功率保持不变。

另1类已经受检验的范围是电池堆的电阻或压力损失。图6示出了试验电池堆的压力损失与初期CFD模拟的比较。在该情况下，无论是负极还是正极的电阻都要比经简单CFD模拟而预测出的电阻高。

图6 电池堆样品压力损失测量结果与扩展CFD模拟计算结果的比较

试验前，样品极板通过具有较高分辨率的激光扫描以控制其加工精度，研究人员从而能推断出构件加工尺寸的误差是否会受到影响。测量结果清楚地表明，研究人员在模拟过程中仍需要考虑其他相关因素。在近期研究的基础上，研究人员已开发出了最新的CFD算法，以便进一步改善基于压力损失的预测精度。图6表明精度的提高应归因于得以扩展的CFD算法。

5 结语和展望

燃料电池将为商用车的低碳运行作出重要贡献，不过目前研究人员目前仍缺乏相应的试验数据。正如内燃机的发展历程一样，燃料电池技术的开发难点在于对功率和使用寿命的精确模拟。燃料电池堆与模拟软件的开发过程处于平行且交互的状态，从而使得设计要求、软件可能性与试验数据之间能进行协同调整。

精确的模拟过程是影响成功的关键因素，因此AVL公司旗下的研究人员选择了这种涵盖了软件开发、模拟、设计、样品制造和试验等多方面的研究方式。因为该类燃料电池技术相对成熟，所介绍的研究方式也具有最高的成功可能性，并能将风险降至最低程度，同时具有最高的商业化潜力。

在该项目的下一阶段，研究人员将开展多次加速应力试验，以说明其现有设计方案的稳定性。同时，该类试验还要与相关模拟过程相结合，以便预测负荷在空间和时间上的波动及其对电池堆使用寿命的影响。

此类结果将在后续的研究过程中得以展示，以便彰显其在行驶循环模拟环境中的性能优势，同时也需要展示出电池堆和系统零部件的瞬态特性，以便能推导出使用寿命的长短，以及用于各种场合和设计优化过程的参数指标。