燃料電池低溫冷啟動(dòng)模型降維簡(jiǎn)化和參數(shù)辨識(shí)

研究背景

燃料電池的低溫啟動(dòng)能力已成為制約燃料電池汽車大規(guī)模商業(yè)化應(yīng)用的主要瓶頸之一。為了提高質(zhì)子交換膜燃料電池的冷啟動(dòng)性能和耐久性，有必要對(duì)燃料電池冷啟動(dòng)過(guò)程中內(nèi)部傳熱傳質(zhì)、水的相變和電化學(xué)過(guò)程進(jìn)行研究。

本研究建立了質(zhì)子交換膜燃料電池（PEMFC）冷啟動(dòng)過(guò)程中水、熱、電子和質(zhì)子傳遞的一維瞬態(tài)模型?；诳刂企w積法，分別對(duì)燃料電池各計(jì)算域進(jìn)行離散，將燃料電池低溫冷啟動(dòng)過(guò)程中偏微分方程進(jìn)行簡(jiǎn)化為常微分方程。隨后對(duì)簡(jiǎn)化后的冷啟動(dòng)模型關(guān)鍵參數(shù)進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)。對(duì)辨識(shí)后的模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證了低溫冷啟動(dòng)簡(jiǎn)化模型的精度。

冷啟動(dòng)數(shù)值模型

在本研究中，通過(guò)考慮冷啟動(dòng)中各種物理和化學(xué)過(guò)程，包括電化學(xué)反應(yīng)、電荷傳輸、氣體組分輸運(yùn)、傳熱和水相變化等，建立了一個(gè)模擬PEMFC的冷啟動(dòng)過(guò)程的一維數(shù)學(xué)模型，該模型僅考慮通過(guò)膜的方向。

圖1. 燃料電池冷啟動(dòng)數(shù)值模型

模型降維簡(jiǎn)化與參數(shù)辨識(shí)

基于控制體積法，參考圖2，將燃料電池單體按各部件離散為計(jì)算域，計(jì)算各離散空間物質(zhì)和能量傳輸通量，從而建立燃料電池冷啟動(dòng)降維模型。

圖2. a) 燃料電池電堆, b) 單體燃料電池建模域, c) 控制體積空間離散

燃料電池低溫冷啟動(dòng)過(guò)程中，由于存在端板等大熱容部件和相鄰單體之間熱傳遞，影響燃料電池溫度分布。對(duì)于燃料電池?zé)崮Ｐ秃?jiǎn)化，需要考慮端板等影響。參考圖3將燃料電池各單體和端板等部件各作為一個(gè)控制單元進(jìn)行離散，建立燃料電池電堆簡(jiǎn)化熱模型。

根據(jù)建立的燃料電池冷啟動(dòng)簡(jiǎn)化模型，選取燃料電池等溫單體輸出電壓和電堆升溫冷啟動(dòng)輸出電壓與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，進(jìn)行參數(shù)辨識(shí)，目標(biāo)函數(shù)與待辨識(shí)變量選取如下：

表1. 辨識(shí)參數(shù)

模型驗(yàn)證

首先對(duì)燃料電池單體進(jìn)行了恒溫冷啟動(dòng)研究，對(duì)比分析在初始膜水含量和電流密度分別為：λ=4，I=100mA/cm2;λ=4，I=300mA/cm2;λ=5.7，I=100mA/cm2;λ=7.3，I=100mA/cm2;λ=4，I=200mA/cm2;λ=4，I=400mA/cm2;λ=4，I=500mA/cm2等工況下模型輸出電壓與實(shí)驗(yàn)電壓對(duì)比。簡(jiǎn)化模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。

圖4. 恒溫冷啟動(dòng)模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

其次對(duì)燃料電池電堆進(jìn)行了冷啟動(dòng)研究，對(duì)比分析在初始膜水含量和電流密度分別為：λ=4，I=400mA/cm2;λ=4，I=500mA/cm2;λ=4，I=15mA/cm2/s等三種工況下燃料電池冷啟動(dòng)性能。從模型電壓與溫度與實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比可以看出，簡(jiǎn)化模型與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。但是由于燃料電池電堆升溫過(guò)程，結(jié)冰形貌特征不同，在催化劑層覆蓋，造成冷啟動(dòng)失敗時(shí)電壓曲線與實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在不一致。

統(tǒng)計(jì)分析燃料電池降維簡(jiǎn)化模型在各工況下模型輸出電壓與溫度平均誤差如下所示，模型誤差均在10%以內(nèi)，能夠滿足工程應(yīng)用需要。

表2.模型誤差分析

結(jié) 論

本研究建立了燃料電池低溫冷啟動(dòng)簡(jiǎn)化模型，在保證模型精度的情況下，提高冷啟動(dòng)模型的計(jì)算速率，為后續(xù)燃料電池低溫冷啟動(dòng)在線應(yīng)用提供了條件。

審核編輯 ：李倩