《Electrochem》：Experimental Study and Simplified Modelling of 1 kW Proton Exchange Membrane Fuel Cell for Mobile and Stationary Hybrid Systems Optimization
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氢转化为电能是一个备受关注的研究课题。在实验室层面已有多种技术可用，但在工业应用中，最为成熟的是基于质子交换膜的燃料电池（PEMFC）。这一日益增长的兴趣，加上技术的成熟，促使人们尝试将燃料电池集成到包含可再生能源的混合系统中。此类混合系统受到广泛研究，其中大
氢转化为电能是一个备受关注的研究课题。在实验室层面已有多种技术可用，但在工业应用中，最为成熟的是基于质子交换膜的燃料电池（PEMFC）。这一日益增长的兴趣，加上技术的成熟，促使人们尝试将燃料电池集成到包含可再生能源的混合系统中。此类混合系统受到广泛研究，其中大多数研究旨在优化装机容量，以降低能源生产成本和投资成本等。本文旨在提供一种基于实验的、简单而精确的模型构建方法，该模型将电功率与氢消耗相关联，可用于混合系统的设计与优化流程。为此，研究人员在索非亚技术大学搭建了一套包含1 kW燃料电池的实验平台，并开展了实验研究以支持模型开发。尽管所提出的模型未反映某些技术因素对燃料电池运行的影响，但在混合系统运行模拟中，它能够以足够的精度确定给定电功率所对应的氢消耗量。
氢能技术被视为全球低碳转型的关键支柱之一。质子交换膜燃料电池（PEMFC，以质子交换膜为电解质、将氢气化学能直接转化为电能的装置）具有高效率、快速动态响应和宽功率范围等优势，已广泛应用于交通、固定式发电、不间断电源（UPS）等领域。将PEMFC与可再生能源集成形成混合系统，可实现间歇性可再生能源的存储与灵活利用。然而，在系统级设计与优化模拟中，燃料电池模型的选用面临困境：详细电化学模型基于电压和电流表述，需要微秒或毫秒级仿真步长，计算负担大，不适用于长时间尺度的系统优化；固定效率模型虽计算简单，但忽略负载依赖的效率变化；多项式近似模型常缺乏参数和验证数据，难以复现。因此，需要一种简单、准确且可复现的“输入-输出”模型，直接建立电功率与氢消耗的关系。为此，研究人员在索非亚技术大学搭建了1 kW PEMFC实验平台，开展了实验研究并提出了简化模型。该模型避免了复杂的电化学参数测量，以实验数据为基础，兼具简单性、足够精度和可复现性，适合工程应用。论文发表于《Electrochem》。
研究人员使用的主要技术方法如下：实验在索非亚技术大学可再生能源实验室（电气方面）完成，研究对象为商业化Horizon Educational H-1000型开路阴极自增湿PEMFC（额定功率1000 W），氢源包括200 bar高压气罐和金属氢化物储氢罐（Heliocentris MHS 800），氢质量流量由Alicat M-20SLPM-D质量流量计测量，负载由EA-EL 9080-85 B HP可编程电子负载控制。实验采用恒电流极化法，在25°C和35°C、氢压0.2–0.8 bar（步长0.2 bar）条件下记录稳态电压、功率和氢耗；并开展动态阶跃电流试验（5–30 A）记录瞬态响应。实验数据利用Matlab曲线拟合工具箱进行多项式拟合，得到氢耗随电功率变化的简化模型。
3.1 燃料电池实验研究
通过极化曲线和功率曲线测量发现，温度从25°C升至35°C仅轻微改善低电流区的电压，总体影响可忽略，因此可在简化模型中忽略温度因素。氢压对性能影响显著：开路电压从0.2 bar时的约41.5 V升至0.8 bar时的约45.5 V，符合能斯特方程；在25 A负载下，0.8 bar相比0.2 bar输出电压从约24.8 V升至28.2 V，输出功率增加约14%。动态阶跃测试显示，低氢压（0.2 bar）下高负载阶跃会导致电压持续下降，主要归因于氧饥饿和液态水积累引起的传质限制；而氢压≥0.6 bar时电压保持稳定，表明存在临界压力阈值，高于该压力可有效抑制传质限制、改善水管理并维持稳态电压。
3.2 质子交换膜燃料电池简化模型
基于不同氢压下的实验数据，氢质量流量与电功率的关系采用三阶多项式拟合，各压力下的相对均方根误差（RRMSE）均低于3%，拟合精度良好。为简化模型，进一步合成一组与压力无关的多项式系数，在0.4和0.6 bar下RRMSE分别为2.99%和1.37%，这两个压力点接近厂商额定压力区间（0.45–0.55 bar），验证了模型在额定工作条件附近的适用性；在0.2和0.8 bar时误差分别增至约7%和15%，表明模型在额定压力范围内精度最高。此外，基于厂商额定氢耗数据提出的线性化模型在0.4–0.6 bar压力范围RRMSE约10%，功率超过800 W时误差增大，可满足初步分析需求。
讨论与结论部分指出，所提出的模型属于运行简化模型而非通用电化学模型，其适用范围限于本研究考察的运行条件，温度显著变化或超出该范围时需重新校准系数。模型的主要局限在于未考虑燃料电池老化和温度影响，但可通过后续改进克服。研究结论表明，本文提出的实验方法能够为“输入-输出”型燃料电池模型开发提供必要数据，该模型将氢消耗表示为所需电功率的函数，兼具简单性、令人满意的准确性和可复现性，适用于混合能源系统的设计、尺寸优化、性能评估以及氢供应基础设施（储氢罐、管道、制氢单元）的合理配置。
