《International Journal of Hydrogen Energy》：Spatially distributed membrane degradation in PEM fuel cells — A systematic approach for long-term simulations
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对质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的局部降解现象进行建模，对于理解和监测电池老化至关重要。通过模拟评估这些局部效应通常需要高保真度、空间分布模型，这些模型计算成本高昂。本文提出了一种仿真框架，能够在保持燃料电池内空间分辨效应的高分辨率的同时，实现高效的长期模
对质子交换膜燃料电池（PEMFC）中的局部降解现象进行建模，对于理解和监测电池老化至关重要。通过模拟评估这些局部效应通常需要高保真度、空间分布模型，这些模型计算成本高昂。本文提出了一种仿真框架，能够在保持燃料电池内空间分辨效应的高分辨率的同时，实现高效的长期模拟，并融入动态运行和局部降解。一个非线性的、基于物理的准二维（quasi-2D）燃料电池模型与一个化学离聚物降解模型相耦合，从而能够评估局部降解效应对整体电池健康状态和性能的影响。为了实现快速且可靠的长期模拟，研究人员推导并检验了一个由局部线性化模型构成的网络。所提出的方法显著减少了模拟时间，同时保留了运行状态和降解效应的关键动态行为，尽管它们的时间尺度不同。结果表明，描述分布式燃料电池降解模型的数值需求可以在不牺牲保真度的情况下有效降低，为在变化和动态运行条件下进行长期降解评估、优化运行策略以及电池全生命周期监测提供了一个有价值的工具。
**论文解读：基于局部模型网络的质子交换膜燃料电池膜降解长期高效仿真框架**
**1. 研究背景与问题**
质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell, PEMFC）被视作可持续能源转换领域的关键技术，尤其是在交通运输脱碳进程中扮演着不可或缺的角色。尽管具有高能量密度、低温启动和零排放等优势，PEMFCs的商业化进程仍面临耐久性不足的严峻挑战。电池堆需在数千小时的动态运行中维持性能，而多种降解机制（如化学离聚物降解、催化剂溶解等）会劣化膜电极组件等关键部件。特别值得关注的是，PEMFCs中的局部降解现象往往在微小空间尺度上萌发，却对整体性能和寿命产生不成比例的影响。非均匀的运行条件（如电流密度、温度、湿度分布不均）会加速局部老化，形成薄弱区域。然而，常规的诊断方法只能捕获诸如整体性能衰减、欧姆电阻增加等全局平均性能指标，可能掩盖局部的严重降解，直到造成实质性损害才被发现。
因此，发展计算高效且具有空间分辨能力的性能和降解模型至关重要。高保真度的三维计算流体动力学（Three-Dimensional Computational Fluid Dynamics, 3D-CFD）模拟虽能提供精细的局部信息，但其巨大的计算资源需求使其难以应用于系统级研究、实时监测或控制策略优化，尤其当涉及缓慢的降解过程时。基于偏微分方程的分布式参数模型在物理精度与计算效率之间取得了平衡，但一旦与长期降解分析耦合，其计算负担仍会急剧增加。降解现象跨越数百至数千小时，同时维持高时间分辨率和长预测周期对计算效率提出了极高要求。因此，开发一种在保持预测保真度的前提下显著提升计算效率的方法，成为当前研究的迫切需求。
**2. 研究内容与结论**
这项研究旨在开发一个用于PEMFCs降解效应高效仿真的计算框架。研究人员将一个计算高效的分布式参数准二维（quasi-2D）性能模型与一个化学离聚物降解模型相耦合，并将其从零维扩展至一维空间分辨率，以利用性能模型计算的局部运行条件获取空间分布的膜降解速率。该框架的核心创新点在于，从全非线性性能模型中推导出一个局部模型网络（Local Model Network, LMN）。通过在不同运行区域使用一组线性子模型来近似非线性的分布式动态，LMN在显著提高计算效率的同时，保留了关键的局部行为。研究结果表明，LMN能够准确再现全非线性模型的动态行为与空间分布状态，描述分布式燃料电池降解的模型可以在不牺牲保真度的情况下有效降低数值计算需求。该框架揭示了化学离聚物降解在动态运行下的关键空间模式，为长期的降解评估、运行策略优化以及电池全生命周期监测提供了一个有价值的工具。该论文发表在《International Journal of Hydrogen Energy》。
**3. 关键方法**
为开展这项研究，作者主要采用了以下关键技术方法：
* **准二维（quasi-2D）PEMFC性能模型**：建立并求解一组描述气体通道（GC）、气体扩散层（GDL）和膜（MEM）中质量、动量及能量守恒的偏微分方程（PDEs），以获得电池内部热力学和电化学状态（如电流密度、温度、反应物浓度）的空间分布。空间离散采用切比雪夫谱配置法，在保持计算效率的同时提供两个空间方向的详细状态信息。
* **化学离聚物降解模型**：基于文献，建立了一个空间分辨的降解模型。该模型通过氟化物释放速率（FRR）量化膜的化学分解，该速率取决于局部氧分压、电池电压和温度。该模型描述了降解如何影响三个关键性能参数：膜厚度的减小（导致气体渗透增加）、离子电导率的下降（增加欧姆损失）以及由此产生的渗透电流变化。
* **局部模型网络（LMN）的推导与应用**：从全非线性性能模型推导出LMN，该网络由五个在特定平均电流密度下线性化的局部模型组成，并通过基于当前运行条件（平均电流密度）的调度函数（有效性函数）进行组合。这种非线性但高效的表征方式使得快速仿真成为可能。该LMN会定期基于退化的材料参数（如膜厚度）进行更新，以准确反映老化对电池性能的影响，并采用周期性的参数更新策略以平衡计算开销与精度。
**4. 研究结果**
**4.1. 时间不变条件下的空间分布膜降解评估**
研究人员通过稳态模拟实验，比较了在不同恒定电流密度下膜的降解情况。结果显示，在近开路电压（OCV）条件下，平均膜减薄速度最快，这与文献结果吻合。然而，在实际运行中更有代表性的较高电流密度下，膜减薄的空间分布效应更为显著，尤其是在电池入口处，局部膜减薄的自加速效应清晰可见。这表明仅关注平均膜厚度会低估运行中发生的局部效应。
**4.2. 局部模型网络（LMN）的验证**
为验证LMN的准确性，研究人员在5小时的WLTC 3b动态工况下，将LMN仿真结果与全非线性模型结果进行了对比。结果显示，LMN在电压信号上的均方根误差（RMSE）仅为1.48 mV，膜平均高度的偏差在5小时后仅为0.00012%。LMN能够准确再现氧分压、FRR和膜厚度的空间分布。更重要的是，LMN的计算速度比全非线性模型快约50倍，实时因子（RTF）仅为1.6%，显著提升了计算效率。
**4.3. 动态长期场景下局部膜降解的高效评估**
为模拟全寿命周期内的降解，研究人员将WLTC 3b工况重复运行5000小时，并使用每50小时根据退化膜厚度更新一次的LMN进行仿真。结果表明，膜减薄、离子电导率下降和渗透电流增加均表现出明显的空间不均匀性，且在阴极通道入口区域最为严重，因该区域氧分压最高导致FRR最大。这种空间分布模式与文献中的3D-CFD模拟结果一致。在性能影响方面，退化后的电池极化曲线显示，在全运行范围内性能均低于新鲜膜，近OCV区性能损失主要源于渗透损耗增加，欧姆区则因电导率下降导致欧姆电阻增大。整个5000小时仿真仅需约173小时计算时间，比实时快约30倍。
**5. 总结与结论**
该研究成功引入了一个用于PEMFC模型快速可靠仿真的框架，通过将空间分辨的性能模型与局部降解效应相结合，实现了对局部降解现象的有效评估。为了解决快动态性能与慢速降解过程在时间尺度上的巨大差异，研究采用了一种基于局部模型网络（LMN）的仿真方法。**研究结论**总结如下：本工作引入了一个用于PEMFC模型快速可靠仿真的框架。通过融合空间分辨的性能和局部降解效应，评估了局部降解现象。跨越不同时间尺度的精确仿真仍是一个核心挑战，特别是当降解效应的演化远慢于电化学和热力学过程时。为解决此问题，应用了一种使用LMN的仿真方法，系统地连接了快速燃料电池动态与缓慢降解现象，并在远小于实时的时间内评估了长期性能。通过使用覆盖全部运行电流范围的局部线性化模型网络，实现了空间分布膜降解的高效仿真。以完全耦合的非线性仿真为基准，该仿真在稳态膜降解研究中获得了与文献一致的结果。通过使用LMN，在5小时场景中，计算时间减少了超过98%，同时膜平均高度的误差约为10??%，电压信号的RMSE为1.48mV。能够覆盖空间分布膜老化非线性效应的LMN被用于评估基于WLTC 3b测试循环的动态长期（5000小时）场景中的局部膜降解及伴随的性能损失。LMN每50小时以退化的材料属性进行更新，所需计算时间约为实时的3.5%。这表明可以在不牺牲精度的情况下显著提升计算效率，使该方法对于涉及长时间运行周期、动态运行或多运行场景的研究极具吸引力。在OCV条件下的整体降解行为与经过实验验证的文献仿真结果在定量上吻合良好。所获得的降解空间模式与已发表的3D-CFD仿真结果一致。空间分辨的、基于物理的模型提供了对局部现象（包括燃料电池内局部降解）的详细洞察，因此是理解真实动态运行条件下降解途径的关键一步。通过利用基于物理的模拟促进对实验数据进行更细致的解读，可以进一步推动特定位置降解缓解策略的开发，以延长PEMFCs在多种应用固有动态运行过程中的寿命。所提出的框架为多种未来应用奠定了基础，尤其适用于需要在实际应用中典型动态运行条件下对复杂、非线性降解机制进行长期仿真的场景。未来工作将扩展该框架以包含多种相互作用的降解模式，并探索将其集成到数字孪生架构中，用于燃料电池系统的实时监测、诊断和控制。
