基于多尺度、多相融合方法的燃料电池系统在动态负载下电压均匀性波动的原因及优化策略

《Renewable Energy》：The Causes and Optimization Strategies of Voltage Uniformity fluctuation of Fuel Cell Systems under dynamic loads Based on Multi-Scale, Multi-Phase Fusion Methods

基于多尺度多相研究方法，建立燃料电池系统启动阶段电压均匀性波动等效分析模型，揭示气 supply 不足与流道分布不均导致局部电压骤降的机理，提出流道尺寸优化与空燃比调控策略。

　　

苏建斌|雷世

福建福州理工学院，350108，中国

摘要

基于多尺度、多相整合的研究方法，包括对19千瓦燃料电池系统的实验、燃料电池的单电池测试以及三维多相单电池计算流体动力学（CFD）模拟，建立了一个等效分析模型，以研究燃料电池系统启动阶段电压均匀性波动的原因和解决对策。该研究重点关注在不同化学计量比条件下单个电池在重负载下的性能特性，并进行流场尺寸优化，以减轻低空气进气条件下的淹水和低电压问题。研究结果表明，在高电流密度启动过程中，气体供应不足和单个电池之间的流动分布不均会导致特定电池的电压过低，最终导致系统关闭。等效分析模型分析显示，在低空气进气条件下，重负载时单个电池会出现严重的淹水现象。进气流量优化结果显示，随着流量的增加，单个电池的电压先升高后趋于稳定，当化学计量比超过1.75时，淹水问题基本得到解决。这一化学计量比被选为后续性能比较的高化学计量比代表条件。流场尺寸优化表明，无需增加进气流量，通过流场尺寸优化即可显著提高单个电池的性能并有效防止淹水。这些结果为燃料电池在实际应用中的优化提供了重要参考。

引言

在“双碳”目标的背景下，环境和能源问题日益突出，作为集成到可再生能源生态系统中的清洁高效能源转换装置，燃料电池受到了广泛关注[1]。作为连接间歇性可再生能源（如太阳能、风能和水能）与终端能源需求的关键环节，燃料电池可以通过水电解将可再生能源系统产生的电能转化为可储存的氢气，然后根据需求将氢气重新转化为电能，从而解决可再生能源存储和并网的瓶颈问题[2]。其中，质子交换膜燃料电池（PEMFC）由于其低温运行、快速启动和高能量密度的优点，在交通、航空航天等领域得到广泛应用[3]。PEMFC的安全可靠运行取决于操作压力、温度、反应物化学计量比和湿度等关键条件的合理调节。值得注意的是，反应物（氢气和氧气）在电极表面的均匀分布是最大化化学反应效率的核心前提，这对于提高可再生能源-燃料电池混合系统的整体效率具有重要意义。汽车用PEMFC堆通常由数十到数百个串联的单电池组成；然而，它们的性能容易受到电压均匀性波动的影响——这意味着整体性能由输出最差的单个电池决定。这一性能限制不仅制约了PEMFC汽车的商业化，也影响了可再生能源驱动的氢燃料电池系统在交通领域的广泛应用。

现有研究已经证实，单个电池之间反应物分布不均是PEMFC堆性能下降和耐久性降低的主要原因[5]。不均匀的流动分布可能导致PEMFC中的气体饥饿现象，进而引发一系列不可逆的退化反应：在氧气饥饿的情况下，阴极处会发生异常的氢气还原[6]。在这种条件下，氢气和氧气在阴极处的反应还会产生局部过热[7]。气体饥饿直接导致催化剂退化[8]；在阳极氢气不足的情况下，催化层中的碳载体与水发生溶解反应，最终导致铂颗粒脱落和聚集[10]。氢氧界面处的直接反应会在质子交换膜上形成局部热点，并导致阴极催化剂的烧结[11]。相关研究还通过实验系统总结了各种导致气体饥饿的因素，并观察到了相关的衍生问题，如碳载体腐蚀、电池反向和电流分布不均[12]。

为了解决流动分布不均的问题，学术界进行了广泛的研究，并提出了多种流动均匀性评估指标：基于面积加权和质量加权平均速度的相关度量已被开发出来，以实现流动均匀性的直接量化[13]。在此基础上，研究人员进一步构建了反应物均匀性的定量评估指标[14]。无量纲参数可用于分析堆内压力、流速和物种浓度分布的均匀性[15]。对于气体扩散层（GDL）中的流动特性，也可以引入一个标准的气体流动分布均匀性指数进行表征[16]。在堆性能一致性和耐久性研究方面，现有研究系统地回顾了PEMFC堆一致性的评估方法和影响因素，重点分析了膜电极组件（MEA）参数对堆性能和寿命的影响，并从MEA制备、堆设计和运行优化等方面提出了改进策略[17]。通过对一个3电池PEMFC堆进行1600小时的耐久性测试，研究人员发现堆的早期性能下降源于催化剂损失和聚集，而后期性能下降则主要由MEA结构损伤引起[18]。提出的一种自适应电流分配方法通过优化负载电压调节，减少了实际输出电流与参考电流之间的偏差，从而间接提高了堆的性能一致性[19]。在流场优化领域，相关研究回顾了PEMFC流场优化设计的研究现状，强调了流场设计评估标准的重要性，并提出了以成本效益指数为中心的商业流场板（FFP）的优化方向[20]。通过比较新型流场（如金属泡沫、3D细网格）和传统三蛇形流场之间的性能差异，可以为流场优化提供结构设计参考[21]。设计的船形挡板阴极流场可以有效控制寄生功率，同时提高传质性能[22]。开发的复合泡沫肋流场通过优化金属泡沫填充比和孔隙率，显著提高了堆的峰值功率密度和极限电流密度[23]。基于结构理论设计的新流场可以大幅降低流道压力损失，同时提高输出功率密度[24]。通过结合数值分析和智能算法建立流道几何尺寸与输出性能之间的定量关系，优化的双倒梯形锥形流道可以显著拓宽电流密度的操作范围，并提高质量和热传递能力[25]。

尽管在流动分布评估、堆一致性改进和流场优化方面取得了显著进展，但从实际应用需求和技术发展趋势来看，仍存在几个亟需解决的关键缺陷，具体体现在以下三个核心维度：首先，大多数关于堆电压均匀性波动的研究仅停留在对宏观整体性能影响的定性描述上，缺乏对微观反应机制差异以及性能最差电池与正常电池之间关键组件演变行为的深入分析。由于汽车PEMFC堆的高度集成和复杂内部结构，独立测试和实时监测单个电池面临重大技术挑战。这使得现有研究无法准确捕捉“性能不佳电池”的性能退化路径和核心诱因，从而无法制定有针对性的调节策略。这一研究空白严重限制了堆整体性能的提升。其次，流动分布研究主要集中在常规操作条件（如常温、恒定负载）下操作参数、歧管尺寸和空气进气模式对流动均匀性的影响，对特殊操作条件（如堆启动、频繁负载波动和低温低湿度）的关注不足。然而，在汽车PEMFC的实际运行中，启动时的反应物供需不平衡以及频繁加速和减速引起的负载变化等情景非常常见。这些特殊条件下的流动分布规律与常规条件下的情况有很大不同。现有研究缺乏对这些特殊条件下流动分布平衡机制的深入探索，也没有建立有效的动态优化策略，导致难以确保堆在实际运行中的性能稳定性。第三，尽管流场尺寸优化已被证明可以提高单个电池的性能，但大多数现有研究仅限于单电池级别的性能验证，尚未建立流场尺寸参数与堆整体性能和一致性之间的关联机制。单个电池之间流场尺寸的差异可能会引发新的不均匀流动分布问题。然而，现有研究没有考虑流场优化的“尺度效应”——即在单电池级别上的最佳流场设计可能不适用于堆系统。也没有探索通过差异化设计流场尺寸来缓解堆电压均匀性波动的可行性。因此，流场优化技术无法直接应用于提高堆的整体性能和耐久性。

为了解决燃料电池在特殊操作条件下的电压均匀性波动这一核心研究空白——包括缺乏对性能不佳电池与正常电池之间性能差异的深入分析、在特殊条件下的一致性和优化策略研究不足，以及关于流场尺寸优化与系统性能相关性的研究匮乏——本研究创新性地整合了19千瓦燃料电池系统实验、精细的单电池测试和三维多相单电池CFD模拟，构建了一个多尺度、多相耦合的研究框架。通过率先建立等效分析模型，准确再现了系统启动过程中性能不佳电池与正常电池之间的流动差异特征。从气体质量传递、水淹没演变和极化特性等多个维度揭示了电压均匀性波动的根本机制，突破了传统研究无法量化单个电池性能异质性的局限。这项工作为燃料电池这一关键可再生能源转换装置的性能提升奠定了核心理论基础。

部分摘录

实验设置

本研究采用了两种核心实验装置：一个19千瓦燃料电池系统和一个燃料电池单电池测试平台。19千瓦燃料电池系统由110个电池组成的堆、氢气供应系统、空气供应系统和热管理系统组成，而单电池测试平台集成了Hephas HS-600测试台和Metrohm PGSTAT 302N电化学工作站，用于全面的性能和电化学表征。堆和测试的详细技术参数

结果与讨论

如图5所示，本研究以启停阶段（典型的动态负载条件）为例，探讨了19千瓦燃料电池系统中单个电池性能不佳的问题及其原因。研究主要基于多尺度数据的耦合，包括燃料电池系统实验、单电池测试和CFD模拟分析，重点揭示了动态负载下电压均匀性波动的普遍机制

结论

本文采用多尺度多相整合的研究方法，结合了19千瓦燃料电池系统实验、单电池测试和三维多相CFD模拟，研究了系统启动阶段单个电池性能不佳的问题。通过建立等效分析模型，探讨了这一问题的根本原因，并提出了优化策略。具体结论如下：

在

作者贡献声明

雷世：写作——审稿与编辑。苏建斌：写作——初稿

利益冲突声明

? 作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了2024年福州友谊城市科技创新合作项目（2024-Y-021）的支持。