基于AMESim的燃料電池系統(tǒng)仿真與分析*

張磊 王仁廣 徐元利 孟祥飛

（1.天津科技大學；2.中國汽車技術(shù)研究中心有限公司）

目前，氫能與燃料電池已經(jīng)在部分領(lǐng)域中實現(xiàn)初步商業(yè)化[1]。質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）是燃料電池汽車的主要部件，與其他電力系統(tǒng)相比，其具有功率大、零污染和燃料利用率高等優(yōu)勢，成為汽車有效的動力系統(tǒng)之一[2]。在過去的數(shù)十年，質(zhì)子交換膜燃料電池技術(shù)的研究取得了較大成果，但仍存在一些技術(shù)上的難題和挑戰(zhàn)[3]，如冷啟動、水熱管理及交換膜的制備等。由于燃料電池成本較高，用于研究會浪費大量勞力與經(jīng)費，因此利用現(xiàn)有的系統(tǒng)級仿真軟件進行研究是一種快速且直觀的方式[4]。文章在分析質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)原理后，基于AMESim軟件建立動態(tài)的、單電池系統(tǒng)級一維仿真模型，用于研究燃料電池系統(tǒng)的動態(tài)特性。

1 質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）系統(tǒng)原理分析

1.1 PEMFC系統(tǒng)

在PEMFC系統(tǒng)中集成一個電堆是非常棘手的問題，PEMFC系統(tǒng)中包含電堆、冷卻輔助設(shè)備、空氣和氫氣供應(yīng)系統(tǒng)、電力轉(zhuǎn)換裝置和加濕裝置等大量部件，這些部件之間相互作用。同時燃料電池系統(tǒng)涉及電化學、電傳導、熱傳導和流體流動等多種物理現(xiàn)象。文章研究的PEMFC系統(tǒng)主要包含氫氣系統(tǒng)、空氣系統(tǒng)和熱管理系統(tǒng)。電堆溫度、空氣和氫氣輸入量需保持在合適的范圍內(nèi)，才能保證PEMFC高效率工作。

1.2 電堆模型分析

PEMFC電堆模型較為復雜，包含多個輸入物理量和輸出物理量，通過構(gòu)建原理分析圖，可梳理輸入量與輸出量的關(guān)系，并為之后電堆的研究提供理論依據(jù)。燃料電池在運行工作時，由電堆輸出的電能對負載做功，燃料電池的燃料和氧化劑的消耗量與輸出電量的定量關(guān)系服從法拉第定律，如式（1）和式（2）所示。

式中：m——電極上析出或溶解的物質(zhì)質(zhì)量，g；

K——電化當量，C；

Q——通過的電荷，C；

n——化合價總數(shù)的絕對值；

F——法拉第常數(shù)，F(xiàn)=96 485.338 3 C/mol；

I——電堆輸入電流需求，A；

M——摩爾質(zhì)量，g/mol；

t——電化學反應(yīng)時間，s。

圖1示出系統(tǒng)級電堆模型分析原理圖。

圖1 系統(tǒng)級電堆模型分析原理圖

根據(jù)電堆單體數(shù)N、法拉第常數(shù)F、電堆輸入電流需求I、每個電極板的有效面積S和由極化曲線得出的單體電壓等輸入量，計算可得：陰極H2O產(chǎn)生率，如式（3）所示；陰極O2和陽極H2消耗率，分別如式（4）和式（5）所示；反應(yīng)放熱量速率，如式（6）所示；輸入電堆電壓，如式（7）所示。

Q——反應(yīng)放熱量，J；

Ef——電池單體理論電勢，V；

V——電池單體產(chǎn)生電勢，V；

U——輸入電堆電壓，V。

在AMESim中，提供了4種燃料電池電堆子模型，分別為 FCPEMFC1D00，F(xiàn)CPEMFC2D00，F(xiàn)CSOFC1D00，F(xiàn)CSOFC2D00。由于文章只研究PEMFC系統(tǒng)級層面而不研究電堆內(nèi)部機理，因此本模型使用的電堆子模型為FCPEMFC1D00，該組件必須與混合氣體組件、電氣組件、熱組件和信號組件一起使用。電堆外部變量圖，如圖2所示。

圖2 PEMFC電堆外部變量圖

圖2 中，各單位表示電堆工作時所涉及的變量，箭頭的方向表示輸入到電堆的變量與從電堆輸出的變量，端口1為熱交換端口，端口2為陽極出口，端口3為陽極入口，端口4為電流出口，端口5為電壓入口，端口7為陰極出口，端口8為陰極入口。

1.3 AMESim建模

由于文章旨在研究各物理量的變化，未涉及燃料電池內(nèi)部的化學反應(yīng)機理，所以可以通過構(gòu)建一維系統(tǒng)級模型來模擬質(zhì)子交換膜燃料電池的性能，通過需求電流計算燃料電池電壓，通過電化學反應(yīng)損失和熱交換計算電堆溫度。PEMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，根據(jù)不同循環(huán)工況所需求的功率，可通過式（4）和式（5）計算得出化學反應(yīng)所需H2和O2的消耗量。空氣和氫氣通過增濕器增加其濕度，通過電堆流道分別進入電堆陰極側(cè)和陽極側(cè)的催化層進行一系列化學反應(yīng)，連接外電路最終產(chǎn)生負載所需電流。冷卻系統(tǒng)用于與燃料電池電堆進行熱交換，保證電堆運行溫度穩(wěn)定在最佳運行溫度。

圖3 PEMFC系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

根據(jù)圖3，使用AMESim構(gòu)建系統(tǒng)級仿真模型，如圖4所示。

圖4 PEMFC系統(tǒng)級一維仿真模型

通過AMESim組件庫中的相關(guān)組件進行機械連接、電氣連接和信號連接，最終耦合成一個燃料電池系統(tǒng)。該模型電堆參數(shù)，如表1所示。

表1 基于AMESim所用電堆參數(shù)

除上述參數(shù)外，電堆還包含一個更重要的參數(shù)——極化曲線，用于表示電極電位與極化電流或極化電流密度之間的關(guān)系曲線。燃料電池極化分為活化極化、濃差極化和歐姆極化3個部分，其發(fā)生極化的原因是燃料電池在工作狀態(tài)下回路中會產(chǎn)生電流，電壓會一直下降，此時整個燃料電池處于不可逆的狀態(tài)，電池的工作電壓會小于開路電壓，從而產(chǎn)生電池極化。極化曲線，如圖5所示。

圖5 PEMFC電池電堆極化曲線

低電流下的快速衰減是由各電極的電化學反應(yīng)導致的活化過電位所引起的；中間值電流的緩慢線性下降是由歐姆過電位所引起的，突顯了燃料電池各部分對電荷載體轉(zhuǎn)移的阻力；高電流下的快速衰減是由各電極上的反應(yīng)物轉(zhuǎn)移失敗導致的活化過電位所引起的。

在此AMESim模型的空氣系統(tǒng)中，設(shè)定由體積分數(shù)為80%的N2與20%的O2混合而成的“空氣”經(jīng)增濕器增濕后通入電堆陰極。氫氣系統(tǒng)中，設(shè)定H2從氫氣罐中以一定的壓力壓出，經(jīng)增濕器增濕后進入電堆陽極，未參加反應(yīng)的氫氣與反應(yīng)生成的氣態(tài)水從電堆陽極流出后經(jīng)冷凝器排出。

冷卻系統(tǒng)中，冷卻水經(jīng)冷卻回路帶走熱量為主要散熱方式。散熱風扇為主要散熱執(zhí)行器，由觸發(fā)器控制，設(shè)置觸發(fā)器觸發(fā)開啟溫度為82℃，關(guān)閉溫度為70℃。冷卻水流量與冷卻水泵的出口端壓力關(guān)系圖，如圖6所示，水泵出口端壓力越小，入口端壓力越大，從而冷卻水流量越大。圖7示出水泵轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系圖。

圖6 冷卻管路水流量與水泵的出口端壓力關(guān)系圖

圖7 冷卻管路泵轉(zhuǎn)速與流量關(guān)系圖

1.4 AMESim與Simulink聯(lián)合仿真

文章中冷卻系統(tǒng)的控制對象為冷卻水泵，以實際冷卻液出入口的溫差值與出入口溫差設(shè)定值為目標，經(jīng)PID控制算法調(diào)節(jié)與水泵控制電壓，使冷卻水進出口的溫差滿足需求[5]。在AMESim冷卻系統(tǒng)模型中，利用溫度傳感器采集實際冷卻液出入口溫度輸入到Simulink接口。AMESim與Simulink聯(lián)合仿真需先配置環(huán)境變量和仿真接口，配置方法可上網(wǎng)查閱。利用AME2SL接口將AMESim系統(tǒng)級模型導入Simulink進行仿真調(diào)試。圖8示出Simulink控制模型。

圖8 水泵Simulink控制模型

2 仿真結(jié)果

設(shè)定仿真時間為1 000 s，采樣時間為1 s，最大時間步長為 1 s，激活編譯器 Microsoft Visual C++（64 bit）。圖9示出外接負載需求功率和PEMFC電堆提供的功率及熱功率損失。

圖9 PEMFC外接負載需求功率、PEMFC電堆輸出功率及PEMFC電堆溫升功率對比曲線圖

由圖9可知，需求功率和電堆所提供的功率相吻合，滿足所需功率。溫度升高所消耗的功率屬于損失功率，其主要包括電化學反應(yīng)產(chǎn)生的熱量、燃料電池系統(tǒng)內(nèi)阻所產(chǎn)生的熱量以及各部分水的液化，而散熱途徑主要包含3種：熱管理系統(tǒng)中冷卻水循環(huán)所帶走的熱量、尾氣排放所帶走的熱量以及熱輻射所散出的熱量，這部分屬于燃料電池系統(tǒng)熱管理范疇。

2.1 電堆輸出特性

根據(jù)燃料電池需求功率，仿真得出電堆輸出電壓和電流，如圖10和圖11所示。

圖10 PEMFC電堆輸出電壓曲線

圖11 PEMFC電堆輸出電流曲線

由圖10和圖11可知，輸出電流和電壓的變化趨勢相同且符合功率需求。根據(jù)式（8）可計算得出相應(yīng)的輸出功率（P/kW），結(jié)果與功率需求曲線一致。

2.2 空氣與氫氣子系統(tǒng)

圖12示出電堆陰極N2，O2，H2O的摩爾質(zhì)量分數(shù)變化曲線。從圖12可以看出，N2和O2的變化趨勢相同，而O2和H2O的變化趨勢是對立的，電堆內(nèi)部反應(yīng)消耗O2的同時產(chǎn)生H2O。

圖12 PEMFC電堆陰極中O2，H 2O，H2的摩爾質(zhì)量分數(shù)圖

燃料氣體加濕是使質(zhì)子交換膜燃料電池能夠正常運行的重要因素之一，主要是為了保持質(zhì)子交換膜處于水合狀態(tài)，利于催化后的質(zhì)子通過薄膜。該模型通過增濕器設(shè)置了空氣入堆前的目標濕度為90%，氫氣入堆前的目標濕度為25%，仿真運行后觀察堆內(nèi)濕度，電堆陰陽極氣體入口濕度達到了該效果，如圖13所示。

圖13 PEMFC電堆陰陽極氣體入堆前濕度圖

通過觀察陰陽極氣體增濕耗水量可以發(fā)現(xiàn)，陰極氣體攜水量遠比陽極氣體攜水量多，這也間接證明了電堆運行時空氣消耗量要遠比氫氣消耗量大。

2.3 熱管理子系統(tǒng)

設(shè)定仿真環(huán)境溫度為20℃，冷卻液初始溫度為20℃。圖14示出冷卻液溫度變化曲線及觸發(fā)器觸發(fā)風扇工作的時刻。冷卻水出口溫度表征著堆內(nèi)溫度，通入氫氣和空氣時，堆內(nèi)電化學反應(yīng)開始，反應(yīng)時放熱，冷卻水泵開啟，溫度逐漸升高。當運行時間＜160 s，冷卻回路水流量增大，電堆入口溫度升高緩慢，電堆出口溫度由于其內(nèi)部的不斷反應(yīng)放熱，呈直線上升；由于其電堆內(nèi)溫度升高，反應(yīng)更加充分，放出更多的熱量的同時堆內(nèi)內(nèi)阻也會產(chǎn)生一部分熱量，因此電堆出入口溫度上升較為迅速；當堆內(nèi)化學反應(yīng)趨于平穩(wěn)時，由于反應(yīng)產(chǎn)生的水液化放熱，溫度緩慢升高，達到設(shè)定觸發(fā)器觸發(fā)值（82℃）時，風扇開啟，對冷卻水進行散熱，冷卻水溫度降低后達到穩(wěn)定狀態(tài)，處于最佳反應(yīng)溫度，實現(xiàn)了較好的熱管理功能。

圖14 PEMFC電堆冷卻液出入口溫度變化圖

3 結(jié)論

文章通過AMESim構(gòu)建質(zhì)子交換膜燃料電池系統(tǒng)級仿真模型，與Simulink聯(lián)合仿真，模擬動態(tài)工況下燃料電池系統(tǒng)的工作特性，觀察燃料電池輸出電壓、電流是否符合功率要求，分析電堆內(nèi)部溫度的變化趨勢，驗證了熱管理系統(tǒng)能使燃料電池一直運行在設(shè)定的較佳溫度。

需要改進的有：文章僅構(gòu)建了簡單的功能性模型，實際燃料電池系統(tǒng)較為復雜，其含有空壓機、去離子器、PTC（用于冷啟動）、節(jié)溫器等重要部件；熱管理建模時需考慮冷卻水溫度的滯后性和響應(yīng)慢等特點。