關于聚合物電解膜燃料電池堆的開發(fā)分析與樣品實驗

燃料電池為商用車的低碳運行作出了重要的貢獻。AVL公司旗下的研究人員目前已開發(fā)出了1種聚合物電解膜燃料電池堆和1款專用的模擬軟件，以便在設計要求、軟件可能性及試驗數(shù)據(jù)之間進行深入的研究和優(yōu)化。

0 前言

出于降低CO2排放的目標，重型商用車實現(xiàn)低碳運行是研究人員目前面臨的1項艱巨挑戰(zhàn)工作。因為商用車必須在持續(xù)的高功率狀態(tài)下行駛，如果使其僅通過蓄電池驅動，會導致一系列問題。燃料電池同樣能對商用車的低碳運行作出重要貢獻，并且不會像蓄電池商用車一樣產(chǎn)生諸多弊端。基于該原因，AVL公司旗下的研究人員開發(fā)了1種聚合物電解膜燃料電池堆（圖1）。研究人員通過高品質(zhì)的模擬過程以改善其技術參數(shù)，并對燃料電池的性能和品質(zhì)作出最佳預測。

1 功率評估

在研究人員對電池堆結構進行設計時，實現(xiàn)具有快速時間趨同性的可靠功率模擬過程有著較高重要性，以此能無滯后地對場景進行分析。因為研究人員選擇催化劑涂層膜（CCM）材料的過程與氣體擴散層（GDL）材料相似，均存在著多種方案。研究人員為此已對多種場景進行了研究，以便查明雙極板流場的最佳流道寬度。為實現(xiàn)更長的使用壽命及更精細的幾何形狀和尺寸，研究人員應選用合適的碳板。在作出選擇后，研究人員從制造過程和系統(tǒng)誤差等方面提出了相關要求。同時，這些要求又是得出最終流場幾何學的基礎。隨后，研究人員需要經(jīng)歷多次優(yōu)化CCM、GDL及流場的過程，方可得出最終的結構組成。

2 滿足要求的極板設計分析

在選定用于膜電極單元（MEA）和雙電極板的材料后，研究人員應重點關注流動分布狀況。功率模擬可用于確定電池片內(nèi)部和電池片之間流動分布均勻性的目標值，研究人員為此需要進行精準的三維計算流體動力學（3D-CFD）模擬，以便優(yōu)化設計，并使系統(tǒng)維持均勻流動的分布狀態(tài)。

研究人員借助于雙電極板的計算機輔助設計（CAD）模型確定了模擬方案。為了達到較高的精度，應開發(fā)相應的模擬方法，但由此會帶來較高的成本。

為了減小計算強度并減少計算成本，研究人員已在幾何學上進行了適當?shù)暮喕?，從而在對模擬計算精度影響最小的情況下，充分縮短了計算時間。AVL公司旗下的研究人員對電池片及其內(nèi)部的流動過程進行了模擬，從而滿足系統(tǒng)對均勻流動分布的要求。

影響極板流動分布的1個臨界部件位于流場開始出現(xiàn)阻抗的位置，該位置對于電池片實現(xiàn)穩(wěn)定功率輸出有著重要影響。如不對其進行優(yōu)化，還會影響到電池片和電池堆的其他關鍵性能，包括電池功率密度、偏離設計運行條件的誤差，以及電池片對冷起動的適應性等重要因素。研究人員借助于3D-CFD模擬軟件，可在構件誤差允許的情況下，預測到即將出現(xiàn)的偏差，從而避免流體出現(xiàn)不均勻分布現(xiàn)象并實現(xiàn)所需的目標值。圖2示出了這種結果的實例。流體從流量較少的進口通道流入1個廣闊的分布區(qū)域，再從此處流入流量較高的有效流道中。整個流動區(qū)域被施加了一定壓力，并承受著由3種不同工作介質(zhì)所產(chǎn)生的周期性壓力波動。為此，減小其強度和剛度就顯得較為重要。

3樣品制造和首次試驗

燃料電池堆通常由許多單個電池片組成。研究人員為了對燃料電池的設計性能進行驗證，盡管無需對整個電池堆開展試驗，但必須了解到硬件配置和試驗裝置的潛在作用。由于每個電池片在電池堆中的位置彼此相異，由此會產(chǎn)生不同的邊界條件。該現(xiàn)象會反過來影響到試驗結果。出于該原因，研究人員選擇了由10個電池片組成的最小電池堆，并以此開展試驗。由于燃料電池堆通常配備有碳板極，樣品會使用經(jīng)銑削加工的雙極板。該舉措有助于快速地實現(xiàn)全新的設計方案，并大幅降低制造要求，因此首件樣品的成本要明顯低于沖壓金屬板，同時也提高了構件的允差。

因為與沖壓成形這一方案相比，為數(shù)較少的幾個相同零件通常采用銑削加工成形。但如果在首個電池堆的樣品上采用該類方式，可能會使某些敏感性較高的試驗產(chǎn)生錯誤的試驗結果。

圖示出了配備有10個電池片的燃料電池堆功率試驗結果與實際燃料電池功率模擬結果的比較。在模型與真實試驗數(shù)據(jù)之間，總體偏差會在適當范圍內(nèi)進行變動，并會在極化曲線極限范圍內(nèi)出現(xiàn)某個峰值。

試驗前，樣品極板通過具有較高分辨率的激光掃描以控制其加工精度，研究人員從而能推斷出構件加工尺寸的誤差是否會受到影響。測量結果清楚地表明，研究人員在模擬過程中仍需要考慮其他相關因素。在近期研究的基礎上，研究人員已開發(fā)出了最新的CFD算法，以便進一步改善基于壓力損失的預測精度。圖6表明精度的提高應歸因于得以擴展的CFD算法。

4結語和展望

燃料電池將為商用車的低碳運行作出重要貢獻，不過目前研究人員目前仍缺乏相應的試驗數(shù)據(jù)。正如內(nèi)燃機的發(fā)展歷程一樣，燃料電池技術的開發(fā)難點在于對功率和使用壽命的精確模擬。燃料電池堆與模擬軟件的開發(fā)過程處于平行且交互的狀態(tài)，從而使得設計要求、軟件可能性與試驗數(shù)據(jù)之間能進行協(xié)同調(diào)整。

精確的模擬過程是影響成功的關鍵因素，因此AVL公司旗下的研究人員選擇了這種涵蓋了軟件開發(fā)、模擬、設計、樣品制造和試驗等多方面的研究方式。因為該類燃料電池技術相對成熟，所介紹的研究方式也具有最高的成功可能性，并能將風險降至最低程度，同時具有最高的商業(yè)化潛力。

在該項目的下一階段，研究人員將開展多次加速應力試驗，以說明其現(xiàn)有設計方案的穩(wěn)定性。同時，該類試驗還要與相關模擬過程相結合，以便預測負荷在空間和時間上的波動及其對電池堆使用壽命的影響。

此類結果將在后續(xù)的研究過程中得以展示，以便彰顯其在行駛循環(huán)模擬環(huán)境中的性能優(yōu)勢，同時也需要展示出電池堆和系統(tǒng)零部件的瞬態(tài)特性，以便能推導出使用壽命的長短，以及用于各種場合和設計優(yōu)化過程的參數(shù)指標。
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