采用实验与仿真结合的PEM燃料电池系统非侵入式氢气消耗监测方法

《Fuel》：Non-intrusive hydrogen consumption monitoring in a PEM fuel cell system using combined experiments and simulation

　　

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC）系统中准确的氢气消耗（hydrogen consumption）测量在阳极回路无法直接接入时仍具挑战。本研究提出并实验验证了一种增强型氧平衡法（enhanced Oxygen Balance Method，OBM），利用阴极排气（cathode exhaust）测量实现非侵入式（non-intrusive）氢气消耗估算，通过在传统OBM公式中显式计入阴极出口检测到的氢渗透（hydrogen crossover），扩展了常规OBM算法。该方法在5 kW PEMFC平台上于动态电流工况下进行了实验评估，相对于制造商出厂初始状态（Beginning-of-Life，BoL）参考数据平均偏差为8.6%；该数值反映了与带自身公差的制造商参考值之间的偏离，表明即使在没有独立可溯源氢气流量计测量的情况下仍具有良好一致性。此外，研究人员在AVL Cruise-M中建立了PEMFC及辅机系统（Balance-of-Plant，BoP）模型，并以制造商BoL参考数据为基准进行标定校准。模型复现氢气消耗的平均误差为0.43%。实验与数值结果共同为PEMFC氢气消耗评估、电堆基准测试（stack benchmarking）及非侵入式诊断支持提供了实用框架。尽管演示平台为船舶原型，传感架构专为迁移至车载燃料电池系统（fuel cell electric vehicle，FCEV）而开发，后者通常缺乏直接的车载氢气流量测量条件。

论文解读：采用实验与仿真结合的PEM燃料电池系统非侵入式氢气消耗监测方法

本文由Maria Pedrosa、Miguel Campino、Patricia Baptista、Tiago Farias及Gon?alo Duarte撰写，发表于《Fuel》。

研究背景与意义

质子交换膜燃料电池（Proton Exchange Membrane Fuel Cell，PEMFC，简称电堆）是交通领域实现净零排放的关键技术，氢燃料电池电动汽车（Fuel Cell Electric Vehicle，FCEV）的性能验证、法规合规及基础设施规划均依赖准确的氢气消耗（hydrogen consumption）测量。然而在实际车辆集成架构中，直接接入氢气（H₂）回路常受限制。ISO 23828:2022和SAE J2572-2014标准推荐的测压法、称重法和流量计法或需改动氢路、或难获实时数据、或对安装条件敏感。传统氧平衡法（Oxygen Balance Method，OBM）虽可从阴极排气（cathode exhaust）推断氢气消耗而无需改动氢路，但未考虑氢渗透（hydrogen crossover，即未反应H₂经膜扩散至阴极侧）带来的误差。因此，研究人员开展本研究，旨在实现一种可在真实动态工况下运行、仅需阴极侧传感器、且显式修正阴极排气中H₂浓度的增强型OBM，并结合标定系统级仿真模型，构建可用于第三方评估、原型测试及实验室表征的非侵入式（non-intrusive）氢气消耗评估与电堆基准测试（stack benchmarking）框架。

主要关键技术方法

实验平台为里斯本大学高等理工学院太阳能船队（Técnico Solar Boat）的S?o Miguel 02（SM02）5 kW PEMFC船舶原型，可获取阴极排气、运行变量及可编程负载，模拟车载FCEV氢路不可接入约束。增强OBM测量链含四步：用Buck方程对进排气湿度校正得到干基（dry basis）；由干空气质量流量与气体分析仪测O₂体积分数算进出O₂摩尔/质量流量得净O₂消耗；按电化学计量比2:1(H₂:O₂)推H₂消耗并加阴极排气H₂传感器测得渗透项作修正；进气流量缺失时用氮质量守恒（Nitrogen Balance Method）由排气反推进气干空气流量。传感器含阴极排气温湿压、体积流量计（flowmeter）、Horiba O₂分析仪及MQ-8 H₂传感器。数值模型在AVL Cruise-M中以厂商BoL极化曲线及稳态氢耗数据为标定目标，调整欧姆电阻乘子（降至0.84）与阴极反应乘子（升至10），模拟PEMFC堆及辅机系统（Balance-of-Plant，BoP），以斜坡与阶跃电流剖面做交叉验证。不确定度按一阶误差传递由传感器精度合成。

研究结果

3.1. AVL Cruise-M model calibration and validation（AVL Cruise-M模型标定与验证）

研究人员将默认AVL Cruise-M PEMFC模型经参数调整后对标厂商BoL极化曲线与氢耗数据，标定后仿真与厂商BoL参考在电流密度—单体电压曲线上紧密吻合。以未参与标定的斜坡（ramp-like）与阶跃（step-like）电流需求剖面独立验证，模型瞬时及累计氢气消耗相对BoL参考平均误差分别为0.43%与0.41%，最大误差≤0.45%，BoL与仿真氢耗散点斜率0.9955（R²=1）。表明标定模型可在理想BoL条件下高精度复现系统级氢耗行为，适用于整车动力总成研究中能量管理与BoP优化之参考。

3.2. Experimental hydrogen consumption measurements（实验氢气消耗测量结果）

在5 kW PEMFC平台分三阶段实验（Experiment 1–3，含不同电流台阶及后期老化堆），采集排气O₂、H₂浓度、体积流量、温湿压等信号。排气O₂浓度随电流变化响应明确，证实阴极排气测量适用于动态监测；观测到因低单体电压触发鼓风机增风引起排气H₂稀释与残余O₂升高之瞬态，属电压控制型空气管理固有特征。增强OBM算得氢耗随电流近似线性增长；与传统OBM对比，阴极H₂渗透修正使估算值系统性降低约0.04%–0.11%（绝对差1.24×10^?8–2.20×10^?8kg/s），虽数值小但物理上严谨。Experiment 3因堆严重老化致氢耗显著高于BoL参考被排除定量比对，保留作异常敏感性定性说明。整体增强OBM可捕捉短时空气管理扰动与堆状态变化。

3.3. Comparative assessment of measured and reference hydrogen consumption（实测与参考氢气消耗对比评估）

将Experiment 1–2中增强OBM估算氢耗对比厂商BoL参考，平均相对偏差8.6%，无随电流单调趋势，测定值与BoL参考呈强线性（斜率0.9235，R²=0.9552）。该偏差来源于传感器不确定度（合成为5%–8%）、电压触发式鼓风机导致空燃比波动、BoL参考自身公差及测试时堆可能偏离原始BoL状态之共同作用，非单纯测量方法误差。氧消耗对比因阴极化学计量比（stoichiometry ratio）随电压控制变动呈现较大离散，与平台空气管理策略一致。

3.4. Method robustness and degradation sensitivity（方法稳健性与老化敏感性）

研究人员指出增强OBM在测试范围内可追踪氢耗趋势并对空气管理及堆异常具敏感性；8.6%平均偏差相对文献中全程循环累积OBM偏差处合理范围。AVL模型0.43%误差反映标定型拟合优度而非独立预测精度。二者差异源于：仿真为BoL理想条件且无传感器噪声；实验受真实冷凝、鼓风机事件及多传感器传播不确定度影响；实验堆未必处于BoL状态；瞬时点评估放大瞬态效应（全程循环会均化）。方法适合无氢路介入之第三方测评、研发原型及实验室台架，传感架构可迁移至FCEV。

讨论与结论翻译

研究表明，所提增强OBM可实现仅需阴极排气测量之非侵入式氢气消耗估算并显式修正阴极出口检出氢渗透，对比制造商出厂初始状态（Beginning-of-Life，BoL）参考数据平均偏差8.6%，且对气流扰动与异常堆状态保持敏感。并行建立并于AVL Cruise-M中标定之PEMFC及辅机系统（Balance-of-Plant，BoP）模型，在斜坡与阶跃电流剖面上以平均误差0.43%复现氢气消耗，支持其作为系统级解释性与面向控制的参考工具。研究局限含：实验在船舶原型而非道路车辆开展（传感架构按车载约束设计）；以带自身公差之厂商BoL数据为基准而非独立可溯源氢流量计（建议后续用科氏/热式质量流量计做计量学验证）；测试期间阴极空气流量未严格恒定；未做堆健康电化学表征。所提框架为PEMFC基准测试、非侵入式诊断及系统级氢气消耗行为解读提供实用基础，未来应推进至标准驾驶循环下FCEV实车应用并与独立氢流量测量直接比对以完成计量学验证。