基于实验设计法的质子交换膜燃料电池系统参数优化研究

李峰勋+李振哲

摘 要： 质子交换膜燃料电池广泛应用于混合动力汽车中，由其无污染特性收到研究者的关注。首先介绍了质子交换膜燃料电池仿真模型，介绍了仿真模型的构成。然后，基于仿真模型，结合实验设计法优化了质子交换膜燃料电池系统。

关键词： 涡轮发动机；热障陶瓷系统；热生长氧化层

本课题研究由国家自然科学基金（项目编号：51401100）、浙江省自然科学基金（项目编号：LY16E050006）、温州市科技计划项目（项目编号：G20150010）资助。

1. 引言

当今汽车业，新能源汽车无疑成了各汽车集团乃至各国政府振兴汽车业的一剂良药。目前世界各国都纷纷出台了支持新能源汽车的相关政策，我国也大力支持着新能源汽车的开发和使用，燃料电池电动汽车也以其节能环保的前瞻性位列其中，并将离人们的生活越来越近[1，2]。

因此，在节能和环保已成为现代汽车工业发展的主题之际，燃料电池电动汽车成为新能源汽车戰略中最具挑战性和前瞻性的汽车技术，得到世界各国政府及各大汽车公司的高度重视。美国政府计划在2020年燃料电池汽车进入商业化。日本政府目标燃料电池汽车2020年达到500万辆，2030年达到1500万辆。欧盟也计划燃料电池汽车在2020年进入商业化应用的起飞阶段。我国作为汽车大国，向汽车强国转折时期，也在承担和发展燃料电池汽车的研发和应用。

由于质子交换膜燃料电池内部约40%-50%的能量耗散为热能，如果没有有效的热管理会致使质子交换膜燃料电池温度上升。同时，质子交换膜燃料电池中膜的电导率与膜中水含量密切相关。如果膜的水含量过高，容易造成水淹，并导致与其相连的电极或者气体扩散层中的孔道被堵塞；如果膜的水合状态过低，不利于质子的传导。因此须对质子交换膜进行加湿，以确保质子交换膜处于良好的水合状态，并且同时应控制适当的水分布以保证电池性能。不可否认的是，膜的水含量与质子交换膜燃料电池内部温度息息相关。所以，有效的热管理是保证质子交换膜燃料电池高性能和高效率的关键。

本文中首先介绍了质子交换膜燃料电池仿真模型，介绍了仿真模型的构成。然后，基于仿真模型，结合实验设计法优化了质子交换膜燃料电池系统。

2. 燃料电池模型

基于系统特性， 我们开发了质子交换膜燃料电池堆瞬态模型。如图1所示，质子交换膜燃料电池堆瞬态模型包括6个部分：阴极质量流模型、阳极质量流模型、膜的水含模型、燃料电池堆电压模型、阳极气体扩散层模型、阴极气体扩散层模型[3]。

3. 优化设计

燃料电池堆电流（范围为36：50），燃料电池堆温度（范围为55：65），氧气超额系数（范围为1.5：3.5），氢气超额系数（范围为1.1：1.6），进口空气湿度（范围为0.6：1）作为设计变量。在设计过程中表1的设计范围对应数字改变成无量纲的数-1， 0 和1。

我们首先根据D-optimal实验设计法，选择了如下表2所示的试验点。并利用质子交换膜燃料电池仿真模型对实验点进行了仿真。

表2中，我们可以看出第38种情况的功率做大。

4. 结论

本文首先介绍了相关知识，包括质子交换膜燃料电池和一些实验设计法相关概念。基于仿真模型，结合实验设计法讨论了优化质子交换膜燃料电池系统的方法。该优化方法可以大幅提高质子交换膜燃料电池系统性能。

参考文献

[1] 陈全世， 仇斌， 谢起成等， 燃料电池电动汽车[M]， 北京： 清华大学出版社， 2005.

[2] 葛善海， 农宝廉， 徐洪峰， 质子交换膜燃料电池水传递模型[J]， 化工学报， 1999， 50（1）： 39-48.

[3] Xuan D. J.， Li Z. Z.， Kim J. W.， Kim Y. B.， Optimal operating points of PEM fuel cell stack model with a RSM[J]， Journal of Mechanical Science and Technology， 2009， 23（3）： 717-728.endprint